01

功率MOSFET的選型

本節(jié)要討論的問題是，非同步或同步降壓型開關(guān)控制器電源電路中，高邊和低邊MOSFET（或低邊續(xù)流二極管）該如何選型？

參考“2.2 什么是非同步（異步）整流和同步整流？”章節(jié)內(nèi)容可知，非同步或同步降壓電路中使用的功率開關(guān)元件，除了少數(shù)器件使用三極管和P-MOSFET外，多數(shù)都使用N-MOSFET。功率MOSFET重要的五個參數(shù)是，擊穿電壓VBR(DSS)（漏極-源極之間的耐壓）、最大漏極-源極電流IDS(MAX)或連續(xù)漏極電流ID、導(dǎo)通電阻RDS(ON)、閾值電壓VGS(TH)和反向傳輸電容CRSS。

當功率MOSFET應(yīng)用在降壓電路時，其參數(shù)需要滿足以下條件：

(1) 擊穿電壓值VBR(DSS)：

必須大于最大輸入電壓VIN(MAX)，而且留出一定的裕量來應(yīng)對因寄生電感等導(dǎo)致的輸入電壓尖峰，通?？扇」β?strong>MOSFET耐壓值為最大輸入電壓VIN(MAX)的1.3 – 1.5倍。

(2) 連續(xù)漏極電流ID：

（在CCM模式下）高邊開關(guān)管MOSFET的過流能力IDS(MAX)至少需要大于等于其上平均電流D*Iout（公式(3.232)）或有效電流 √(D×(I_OUT^2+(?I_L^2)/12) ) （公式(3.236)）；

低邊開關(guān)管MOSFET的過流能力至少需要大于等于其上平均電流(1-D)*Iout（公式(3.239)）或 √((1-D)×(I_OUT^2+(?I_L^2)/12) ) （公式(3.240)）。

更加嚴格的高邊和低邊開關(guān)管MOSFET過流能力選擇，可以選擇大于等于電感上的峰值電流（Iout+(1/2)*ΔIL）。

(3) 導(dǎo)通電阻RDS(ON)：

參考“3.9.4.1 導(dǎo)通損耗”章節(jié)內(nèi)容可知，降壓電路在CCM模式下高邊和低邊開關(guān)管MOSFET的導(dǎo)通損耗計算公式分別為 

P_(SW-H,COND,AVG,TSW) = I_OUT^2 × R_(DS(ON)-H) × D 

P_(SW-L,COND,AVG,TSW) = I_OU^2 × R_(DS(ON)-L) × (1-D)

可見，為了實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，高邊和低邊開關(guān)管MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(ON)參數(shù)越小越好。

所以，為了實現(xiàn)目標轉(zhuǎn)換效率（通常，目標轉(zhuǎn)換效率是“設(shè)計需求”中需要明確的參數(shù)之一），在要求總損耗功率為定值，進而分配的導(dǎo)通損耗為定值的情況下，高邊和低邊開關(guān)管MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(ON)可取的最大值分別如下：

這就是在BUCK電路設(shè)計中進行功率MOSFET選型時其導(dǎo)通電阻RDS(ON)這個參數(shù)的選擇依據(jù)。

這里還有需要進一步明確的問題是，在明確了目標轉(zhuǎn)換效率或總損耗功率的情況下，分配給高邊和低邊MOSFET導(dǎo)通損耗的占比為多少呢？

參考“3.4.8 非同步與同步降壓電路的功率損耗計算案例”章節(jié)，非同步降壓電路中高邊MOSFET導(dǎo)通損耗占比為16.21%，同步降壓電路中高邊和低邊MOSFET導(dǎo)通損耗占比為40.71%。

由此可見：在非同步降壓電路中，我們可以將大約20%的總損耗分配給高邊MOSFET導(dǎo)通損耗；在同步降壓電路中，我們可以將大約40%*D的總損耗分配給高邊MOSFET導(dǎo)通損耗，將40%*(1-D)的總損耗分配給低邊MOSFET導(dǎo)通損耗（因為高邊MOSFET、低邊MOSFET具體的導(dǎo)通損耗值大小是與降壓電路實際工作的占空比D有關(guān)的）。

當然，我們需要知道的是，這里提出的MOSFET導(dǎo)通損耗占比分配方法（即非同步降壓電路中高邊MOSFET導(dǎo)通損耗占總損耗的20%，同步降壓電路中高邊和低邊MOSFET導(dǎo)通損耗占總損耗的40%），是基于已知的計算案例占比16.21%和40.71%倒推的，原因是在電路設(shè)計完畢之前，我們無法知道MOSFET導(dǎo)通損耗占總損耗的比例，那就無法知道具體的MOSFET導(dǎo)通損耗是多少，也就無法知道可取的MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(ON)最大值是多少。

參考“3.3.3.2 紋波電流實際值”章節(jié)，我們通過基于“電感伏秒平衡”推導(dǎo)出了紋波電流公式(3.191)（ ?I_L = (V_OUT / V_IN) × (V_IN - V_OUT) / (L_BUCK × F_SW) ），而我們的功率電感取值公式(3.291)（ L_BUCK = (V_OUT/V_IN) × (V_IN - V_OUT) / (?I_L × F_SW) ）本質(zhì)上也是基于“電感伏秒平衡”推導(dǎo)出來的，所以這里容易知道，在輸入電壓 V_IN 、輸出電壓 V_OUT 和開關(guān)頻率 F_SW 不變的情況下，紋波電流 ?I_L 與電感值 L_BUCK 的乘積為 ?I_L×L_BUCK = (V_OUT/V_IN) × (V_IN - V_OUT) / F_SW  ，就是常數(shù)，如果不能先明確紋波電流的大小，就無法得到所需的電感值是多少。所以，我們需要先確定一個紋波電流系數(shù)r，從而得到紋波電流理論值 r×I_OUT ，從而得到可取的電感值，這里的紋波電流系數(shù)r就是解決問題的切入點。

所以，類似地，我們需要“預(yù)分配一定比例”的總損耗給MOSFET導(dǎo)通損耗，然后得到可取的MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(ON)最大值，然后選擇合適的MOSFET。這個“預(yù)分配一定比例”值，就是解決問題的切入點，與選擇紋波電流系數(shù)r的意義相似。

另外，在電路設(shè)計完畢之后測試轉(zhuǎn)換效率，如果轉(zhuǎn)換效率超過目標值（也就意味著總損耗超過目標值），那就需要對總損耗再次分解，再次通過降低各寄生參數(shù)的方法選擇元器件，只要迭代次數(shù)足夠，我們設(shè)計出的電路總能收斂于“目標轉(zhuǎn)換效率”。

02

總結(jié)

功率MOSFET應(yīng)用在降壓電路時，可以通過本文提出的對應(yīng)方法來確定擊穿電壓值VBR(DSS)或漏源電壓VDS、連續(xù)漏極電流ID和導(dǎo)通電阻RDS(ON)這三個參數(shù)。

至于柵極總電荷量Qg(Total Gate Charge)、上升時間tr、下降時間tf、輸入電容Ciss、輸出電容Coss、反向傳輸電容Crss等參數(shù)，初學(xué)者暫時可以不關(guān)心。