搭配电感拓扑，利用小讯号MOSFET降低电源转换功耗

作者：时间：2013-04-22 来源：网络

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该设计采用的控制器还整合0.8伏特精密基实缪乖矗用于输出电压调节。降压转换器的输出返回至FB接脚。由R41+ R39和R38组成的电阻分压器调节输出电压，可由公式12计算：

VOUT=0.8V×(1+(R41+R39)/R38)。。。(12)

假设控制器以a定频率工作，在高电流情况下可轻控制DC-DC降压转换器的输出电压，但于低电流情况下对控制要求则升高，须大幅调整工作L期，或将控制器转换为另一种控制模式，如高负载模式。该控制器有强制连续、高负载和脉n跳跃叁种工作模式;其中，高负载模式具有高效率优点，但涟波更大且电磁干扰(EMI)严重，最合适的模式须取决于终端应用的规格和需求。

可编程设计的开关频率范围为250k? 750kHz，频率由电阻R30决定，控制器也可将内部振U器与外部时源同步(MODE/PLLIN，接脚1)。该模式下，RC网路须与接脚2(FREQ)相连，做为锁相路(PLL)滤波器。

掌握电压/电流涟波设计　中功率DC-DC转换效率增

DC-DC转换器有多种应用，具备外部MOSFET级的降压转换器控制器拓扑常用于运算和消费性电子产品中。新一代系统单晶片(SoC)解决方案须用到许多独立的电源电压，以提供主机板、笔记型电脑、平板装置、电视或机上盒(STB)等装置优异的电源管理方案。

由于电源围最高可达数百瓦，最低仅数瓦，在桌上型电脑中，DC-DC转换器须提供高达100安培的电流和130瓦功率，开关级MOSFET裼梦匏鸱庾(LFPAK)或QFN 5×6封装的趋势也逐渐盛行，一般笔电和小笔电的功率需求相对较小，功耗围为18~55瓦。开关MOSFET主要裼SO-8和QFN 3×3封装。电视、机上盒或平板电脑等消费性电子的应用，功耗要求为7~15瓦。

对于中等功率围而言，目前可用QFN 3×3、QFN 2×2或SOT457等具有更小封装的小讯号MOSFET来替代SO-8。为达到所需的电流涟波，须仔细选择用于降压转换器的电感值。电流涟波更大，则输出电压涟波也更大;涟波增加，则电感更小、输入电压更高，若开关频率降低，则将进一步增大。

ΔIL可由下列公式13算出：

ΔIL=VIN/L×ton=VOUT/L×toff.。。(13)

其中，T=ton+toff=1/f

得到公式14：

ΔIL=(VOUT/L)×(1–VOUT/VIN)×1/f.。。(14)

此时表示L=(VOUT/ΔIL)×(1–VOUT/VIN)×1/f。在极端情况下，电路会以连续模式的极限运行，电流在再次增大之前会完全降为零，可得出公式15： ΔIL=2×I(均值)。。。。。。(15)

代换ΔIL后，L=VOUT×(1–VOUT/VIN)/2×I(均值)×f

实际上，涟波电流ΔIL一般约为最大电流的30%，输出电压的涟波不仅取决于电感和ΔIL，还与输出电容的电容值有关，电容愈大，涟波愈小。图8为流入电容的电流波形图，无损耗电容的计算方式如公式16：

图8 电容电流与时间的关S示意图

。。。。。。(16)

对于t0至t1，IC=ΔIL/ton×t;对于t1至t2，IC=ΔIL/toff×t。

电容涟波电压如公式17所示：

。。。。。。(17)

当T=ton+toff=1/f时，可进一步得出公式18：

VC_ripple=ΔIL/(C×8×f)。。。。。。(18)

此外，实际电容须考虑等效串联电阻(ESR)，因此可得出公式19：

VC_ripple=ΔIL×(ESR+1(8×F×Cout))?(19)

做为开关的MOSFET则须考虑两个损耗过程，一个是欧姆损耗，由剩余导通电阻RDSon造成;第二个损耗产生于开关瞬变。由于MOSFET并非理想的电源开关，从关闭到开启状态(或开启到关闭)仍存有短暂的导通时间。

RDSon损耗也称I2R损耗，可通过公式20计算(lout表示RMS值)：

。。。。。。(20)

其工作L期为D=ton/T，项数1+δ包含与MOSFET的RDSon有关的温度。δ典型值为δ=(0.005/℃)×(Tj–25℃)

低端开关则与其相似，由于当高端开关关闭时，同步MOSFET接通，因此I2R损耗可由公式21计算：

。。。。。。(21)

汲极电流/电压影响MOSFET开关性能

至于转变损耗，仅高端开关受此机制影响，塬因在于所裼玫男流二极体(图8中的D1)已接通，它将同步MOSFET上的电压降至较小的正向电压VF，若电路不含续流二极体，则情形有所不同。MOSFET的RDSon损耗须计入本体二极体的损耗，若不使用续流萧特基二极体，则效率通常受较高的VF和本体二极体反向恢褪奔涞挠跋臁

图9表示MOSFET开关性能的测试电路，包含闸极至源极CGS、汲极至闸极CDG的寄生电容。电流源IG为控制闸极，在源极另一个电流源与一个续流二极体并联，随后连接VSS，只要MOSFET为关闭状态，电流便流经该二极体。导通过程中，若电流源IG打开，CGS的电压线性上升，直至达到闸极-源极阈值电压VGS(th)。此时开始有汲极电流通过，表示MOSFET在t0阶段依然处于关闭状态。

图9 MOSFET开关性能测试塬理图

汲极电流在t1阶段上升。同时闸极电压上升，直至达到VGS(pl)。VGS(pl)通常称为MOSFET的_阶电压。它在资料手册中一般不会明确提及，但可由塬理图中的闸极电荷与闸极-源极电压衍生出来，在详细资料手册中可找到。t0和t1阶段过后，电荷为Q0=Vpl×(CGS+CDS)。

在下一个t2阶段，汲极电压下降，闸极-源极电压VGS保持a定，为VGS(pl)。电荷Q1以相反方向对CDS充电，Q1=VSS ×CDS。CDS有别于双极电晶体，它与米勒电容类似，且对MOSFET的开关性能有巨大影响。在t3阶段闸极电压再次增大，直到达到所需的最大闸极电压，此时电流源被截流。FET的RDSon进一步降低。闸极驱动器提供额外的电荷Q2如公式22所示：

Q2=(VGS(t4)–VGS(pl))×(CGS+CDS)。。。(22)

总电荷则为QG=Q0+Q1+Q2，对功率MOSFET而言，该电荷可轻易超过100nC，计算方式如公式23：

IG=QG/ts.。。。。。(23)

由此可见，闸极电流可经计算达到开关时间ts，若须较短的转换时间，就要使用强大的驱动器控制MOSFET，以保持较低的开关损耗。在t1阶段，MOSFET具有完全的输入电压，此时汲极电流增加;在下一个t2阶段，ID定而汲极-源极电压VDS下降，主要开关损耗均产生于这两个开关阶段;而t3阶段损耗极小，可忽略，RDSon下降到最小值，此时达到最终VGS电压。

开启时的开关损耗发生于t1和t2阶段，最主要损耗发生在t2，此时MOSFET的闸极电压保持在台阶电压V(pl)。损耗可由公式24计算：

PSW(on)=VIN×I/2×(t3+t1)×1/T?(24)

转换器的开关频率为fSW=1/T，MOSFET的关断特性与开启时类似。总开关损耗可由公式25计算：

PSW=VIN×1/T×(Imin/2×ton+Imax/ 2×toff)。。。。。。(25)

开关时间将取决于驱动器的电流驱动能力和MOSFET的闸极电阻，假设开启和关断时的驱动电流相等，则开关时间为tSW=QG/Idrive

LTC3851 tSW可由公式26估算：

tSW=QG×Rdrive/(Vdrive–VGS(th))。。。(26)

控制器的Rdrive约为2欧姆，与其有关的电压是驱动器电压INTVCC–V(th)。

小讯号MOSFET转换/散热效率俱优

显而易见，小讯号MOSFET适合中等功率DC-DC转换，若闸极-源极电压为4.5伏特，可提供15毫欧姆的RDSon，对SOT457元件而言，这是非常小的电阻，可提供更优异的电源转换效率，再加上裼猛片引线框架，让封装尺寸缩小，亦可具有良好散热性能。

图10是一张热成像照片，说明此一参考设计的DC-DC转换器PCB的输出电流为6安培，并将电压从10伏特降为1.5伏特，由于工作L期低至0.15，低端开关比高端开关散发更大的热量;而该元件的温度约为80℃，可推断结点温度Tj通常比封装表面高5?10℃，故本测试中，Tj低于90℃。