高精度MOSFET設(shè)計技巧

　　利用相同的處理，我們可以導(dǎo)出針對同步整流器的方程：

　　(9)

　　類似地，做優(yōu)化裸片面積可由下式表示：

　　(10)

　　我們以頂部MOSFET為例，下圖2所示為在不同輸入電壓時最優(yōu)化裸片面積和負載電流之間的關(guān)系。仔細地考察發(fā)現(xiàn)，當輸入電壓從19V變到5V時，裸片面積增加。

　　這是因為在5V電壓時占空比會增加，而我們需要較小的RDSON，因此，獲得較大的裸片面積以減小傳導(dǎo)損耗。因為開關(guān)電壓越小，開關(guān)損耗也成比例地越小，因此，我們我們能夠容忍存在某種程度上較大的Qgd和較大的裸片面積。

　　如下圖3所示，是在不同輸入電壓的情況下最優(yōu)化裸片面積和開關(guān)頻率之間的關(guān)系。顯然，在動態(tài)損耗和傳導(dǎo)損耗之間我們需要采取不同的混合，并且在高開關(guān)頻率下動態(tài)或開關(guān)損耗其支配作用，因此，迫使把裸片面積做得非常小。

　　這些依賴性在某種程度上不同于我們考慮同步整流器的時候，因為跨越它的電壓是單只二極管的壓降，無論是體二極管或是肖特基二極管，在此，動態(tài)損耗比頂部MOSFET要小得多。

　　這意味著傳導(dǎo)損耗在這種情況下占支配地位，在此，即使以較大的Qgd為代價，也需要較大的裸片面積和相關(guān)的小RDSON值。如圖4所示，最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下負載電流的函數(shù)。盡管開關(guān)損耗在整個損耗圖中發(fā)揮的作用較小，在此，仍然要以犧牲RDSON指標為代價，進一步減小裸片面積來實現(xiàn)更低的Qgd。

　　如圖5所示，功耗是裸片面積的函數(shù)，周圍是針對輸入電壓為5到12V的頂部MOSFET的最合適值。這清楚地表面，損耗高度依賴于裸片面積以及如果裸片面積增加或減少時這些損耗所增加或減小的劇烈程度。

　　顯然，我的觀點是：這些方程從為任務(wù)指定最優(yōu)化MOSFET的任務(wù)中獲得推斷，并讓我們把工作重心放在開發(fā)滿足未來幾年需求的新的制造工藝的任務(wù)之上。

　　圖2：最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下負載電流的函數(shù)。

　　圖3：最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下開關(guān)頻率的函數(shù)。

　　本文小結(jié)

　　Maple計算軟件的應(yīng)用為研究和掌握功率電路中MOSFET功耗優(yōu)化的物理現(xiàn)象提供了非常令人興奮和有效的工具。

　　我們在此已經(jīng)介紹了專門針對給定應(yīng)用而設(shè)計的MOSFET的概念。

　　為了讓MOSFET設(shè)計工程師把精力集中在需求快速增長的個人電腦市場，有必要針對特定的器件給出范例。盡管對RDSON和Qgd兩個前沿課題有待做進一步完善，但是，仍然需要針對特定應(yīng)用來設(shè)計MOSFET器件。

　　在MOSFET參數(shù)和應(yīng)用之間的閉環(huán)鏈路要根據(jù)需要來使用。我們在上面已經(jīng)示出：這樣的一個鏈路可以由損耗方程中導(dǎo)出，因為它們由MOSFET的參數(shù)來修正。

　　在頂部和同步整流器MOSFET之間，前者是對設(shè)計更為重要的器件。這是因為要對RDSON和Qgd兩者進行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)化的性能;而同步整流器則居于其次。

　　上述方程根據(jù)一組特定的固定參數(shù)清楚地確定了最優(yōu)化的裸片面積。實際上，有必要被擴展到包含一定范圍內(nèi)的工作條件，如頻率、負載電流、輸入電壓和門驅(qū)動條件。幸運的是，在個人電腦市場，輸入電壓和每相的電流被保持在相當窄的范圍內(nèi)。這就使開關(guān)頻率和門驅(qū)動器成為唯一的兩個真實變量。

　　圖4：在同步整流器MOSFET不同開關(guān)頻率上的最優(yōu)化裸片面積是負載電流的函數(shù)。

　　圖5：功耗是頂部MOSFET裸片面積的函數(shù)。