門極電壓的考慮事項(xiàng)
---采用兩種相對(duì)的電壓驅(qū)動(dòng)控制MOSFET Q1與同步MOSFET Q2（如圖1所示）的門極需要經(jīng)過仔細(xì)的考慮。額外離散部件的需求、對(duì)PCB路由的影響以及最佳驅(qū)動(dòng)電壓振幅（可能已獲得、也可能暫未獲得）的需求,這些權(quán)衡因素都對(duì)降低MOSFET Rds(ON)以獲得潛在效率不利。
---作為例子,我們使用仲裁器件（arbitrary device）對(duì)控制MOSFET與同步整流器MOSFET進(jìn)行如下分析。為了能夠突出門極-源極電壓（VGS）相對(duì)另一門極-源極電壓的優(yōu)勢(shì),必須仔細(xì)考察每個(gè)MOSFET的Rds(ON)對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電壓以及門極驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)門極電荷的曲線圖。

---圖2～圖5所示是從大多數(shù)制造商的數(shù)據(jù)表中獲得的典型MOSFET性能特性曲線圖,其將作為下述應(yīng)用實(shí)例的依據(jù)。

---圖2突出顯示了控制MOSFET Q1當(dāng)VGS=5V以及VGS=9V時(shí)Rds(ON)的值。由于Q1更傾向于開關(guān)損耗,因此在選擇時(shí)通常首先考慮較低的門極電荷,其次考慮Rds(ON)。當(dāng)VGS=5V時(shí),Rds(ON)=8.7mΩ;VGS=9V時(shí),Rds(ON)=6.4mΩ。與此類似,圖表示了當(dāng)VGS從5V增加至9V時(shí)對(duì)門極電荷的影響。當(dāng)VGS=5V時(shí),Qg=13nC;VGS=9V時(shí),Qg=24.8nC。表1是對(duì)上述結(jié)果的總結(jié)。

---圖4突出顯示了整流器MOSFET Q2當(dāng)VGS=5V以及VGS=9V時(shí)的Rds(ON)的值。由于Q2更傾向于導(dǎo)電損耗,因此在選擇時(shí)首先考慮盡可能最低的Rds(ON),其次考慮門極電荷。當(dāng)VGS=5V時(shí),Rds(ON)=3.37mΩ;當(dāng)VGS=9V時(shí),Rds(ON)= 2.75mΩ。與此類似,圖5顯示了VGS從5V增加到9V時(shí)對(duì)門極電荷的影響。當(dāng)VGS=5V時(shí),Qg=37.5nC;當(dāng)VGS=9V時(shí),Qg=76nC。各VGS所對(duì)應(yīng)的MOSFET參數(shù)如表1所示。

---受最大負(fù)載電流的影響,由較高VGS產(chǎn)生的低Rds(ON)將導(dǎo)致更低的導(dǎo)電損耗,直至某一特定截至頻率上開關(guān)損耗開始占優(yōu)勢(shì)。在開關(guān)損耗占優(yōu)勢(shì)的較高頻率范圍內(nèi),應(yīng)首選由較低VGS引起的低門極電荷。而在導(dǎo)電損失占優(yōu)勢(shì)的較低頻率范圍內(nèi),則應(yīng)選擇由較高VGS引起的低Rds(ON)。就提高效率而言,最好的選擇可能是采用較低VGS驅(qū)動(dòng)控制MOSFET以最大程度地減少開關(guān)損耗,以及采用較高VGS驅(qū)動(dòng)同步整流器以降低導(dǎo)電損耗。然而,由于大多數(shù)同步降壓MOSFET驅(qū)動(dòng)器不提供以不同電壓分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制門極與同步門極的選項(xiàng),因此該解決方案不具有實(shí)際意義。

---下面的應(yīng)用實(shí)例將對(duì)兩種VGS條件下的效率進(jìn)行比較。為了簡(jiǎn)化起見,對(duì)每種情況我們都采用相同振幅的VGS用于控制MOSFET及同步MOSFET。

應(yīng)用實(shí)例
--- 首先給定以下條件：
VIN=5V
VOUT=1.8V
IOUT=20A
D=0.36
Fsw=200kHz
Rg=0Ω
LLUMP=50nH
---MOSFET驅(qū)動(dòng)器特性：
---圖6顯示了具有代表性的模型,其說明了對(duì)開關(guān)電源性能能夠產(chǎn)生影響作用的大多數(shù)寄生元件。為了簡(jiǎn)化,只給出了低側(cè)同步整流器MOSFET和驅(qū)動(dòng)器級(jí)。與驅(qū)動(dòng)器汲極和源極阻抗相關(guān)聯(lián)的電阻通常都具有不同值,但制造商的數(shù)據(jù)表中都應(yīng)做了指定。需要指出的是,驅(qū)動(dòng)器和MOSFET間寄生電感的作用同樣是十分重要的。在進(jìn)行較高頻率操作時(shí),該電感將限制門電流對(duì)MOSFET輸入電容充電的嘗試。公式2表明這將導(dǎo)致更長(zhǎng)的上升與下降時(shí)間以及額外的開關(guān)損耗。在本例中,我們假定總寄生電感LLUMP為50nH。如圖6所示,LLUMP由與MOSFET和驅(qū)動(dòng)器封裝類型相關(guān)的內(nèi)部引線電感組成。由于設(shè)計(jì)人員無法真正控制這些參數(shù),因此唯一可以控制的寄生電感組件是線跡電感Ltrace。為此,最大程度地縮短驅(qū)動(dòng)器與MOSFET之間的線跡長(zhǎng)度以及直接在接地平面上運(yùn)行短且寬的線跡,都可降低寄生線跡電感。

---控制MOSFET功率損耗計(jì)算：
Pc=Iout2×Rds(ON)×D 公式1

式中tr≈tf,可用下式近似估算：

高側(cè)驅(qū)動(dòng)器功率損耗：
---由于驅(qū)動(dòng)器的汲極與源極電阻遠(yuǎn)大于MOSFET的內(nèi)部門極電阻,因此大部分與MOSFET門極充電、放電相關(guān)的開關(guān)損耗來自驅(qū)動(dòng)器IC。公式5
---采用公式1～公式5,可以估算出各種VGS條件下控制MOSFET與驅(qū)動(dòng)器的總損耗。
---同步整流器MOSFET功率損耗計(jì)算：
---為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程,我們假定以下基體二極管特性：
tBDR+tBDF=10ns
QRR=48nC
VF=1V
Pbd=VF×Iout×Fsw×(tBDR+tBDF) 公式6
Pc=Iout2×Rds(ON)×(1-D) 公式7
PRR=QRR×VIN×Fsw 公式8
Psw=0 公式9
Pout=0 公式10
低側(cè)驅(qū)動(dòng)器功率損耗：公式11
---采用公式6～公式11,設(shè)計(jì)人員可以估算出各VGS條件下同步整流器MOSFET與驅(qū)動(dòng)器的總損耗。由于公式1～公式11所表示的單個(gè)損耗中有不少取決于頻率,我們?cè)O(shè)計(jì)了EXCEL電子表格用于計(jì)算并繪制各VGS條件下,高控制MOSFET與低同步MOSFET相對(duì)應(yīng)的總損耗對(duì)頻率的關(guān)系曲線。您可很容易通過電子表格或MathCAD判定VGS值變化所帶來的影響。