高精度MOSFET設(shè)計技巧

隨著個人計算機(jī)行業(yè)向著工作電流為200A的1V核心電壓推進(jìn)，為了滿足那些需求，并為該市場提供量身定制新型器件所需要的方法，半導(dǎo)體行業(yè)正遭受著巨大的壓力。過去，MOSFET設(shè)計工程師只要逐漸完善其性能就能滿足市場的需求并通常獲得滿意的結(jié)果。

　　現(xiàn)在，他們面臨的要求根本背離被動響應(yīng)或主動前攝的設(shè)計方法，這種方法本來應(yīng)該讓他們能夠提供更大的電流、更高的效率和更小的占位面積以滿足日益增長的需求，從而應(yīng)對分配給DC-DC轉(zhuǎn)換器越來越小的體積資源所帶來的挑戰(zhàn)。為此，本文在此提出一種具有外科手術(shù)式精度的設(shè)計方法，來針對該市場的需求設(shè)計MOSFET。這種根本的變革被證明是正當(dāng)?shù)模驗(yàn)槭袌鲋?，足以證明所需要的花費(fèi)是正當(dāng)?shù)?，并且能夠提供非常滿足市場需求的解決方案。

　　圖1：升壓轉(zhuǎn)換器。

　　MOSFET設(shè)計方法

　　同步升壓轉(zhuǎn)換器是個人電腦行業(yè)為DC-DC轉(zhuǎn)換器所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且被廣泛地用于電信其它市場。我們在本文中將僅僅考慮這種拓?fù)?，但是同一方法也可能適用于其它的拓?fù)?。我們將嘗試根據(jù)兩個因素推導(dǎo)計算最優(yōu)化MOSFET裸片面積的方程。

　　1. 它在電路中的作用是功率開關(guān)MOSFET或同步整流器;

　　2. 與這種特殊的MOSFET相關(guān)的總的損耗。

　　選擇總損耗作為確定因素的直接原因是業(yè)界需要更高的效率和更低的損耗。裸片面積經(jīng)過最優(yōu)化的MOSFET，當(dāng)被用于其目標(biāo)應(yīng)用—即開關(guān)MOSFET或同步整流器—時，可以提供最少的損耗。顯然，這樣的方程取決于用于制造器件的特殊工藝及利用該工藝進(jìn)行的特殊器件設(shè)計。

　　通過把器件面積與物理應(yīng)用參數(shù)聯(lián)系起來，我們可以考察這些參數(shù)對器件的不同影響，并且在最佳情況下，我們能夠根據(jù)應(yīng)用需求精密設(shè)計一種器件，或換言之，一種針對特殊應(yīng)用的MOSFET。這種方法使功率半導(dǎo)體行業(yè)能夠每一次都生產(chǎn)滿足要求的功率器件，并消除設(shè)計過程中的推測工作，從而使開發(fā)周期更短且費(fèi)用更低。

　　為了簡化導(dǎo)出的方程，我們把損耗的計算限制為兩種起支配作用的損耗源：

　　1. 傳導(dǎo)損耗;

　　2. 動態(tài)或開關(guān)損耗。

　　一直以來，人們忽略了門極到源極之間以及漏極到源極之間電容的充放電。在給定的300KHz開關(guān)頻率和12V輸入電壓的條件下，這兩種損耗源在整個器件的損耗中占很小的百分比。另一方面，通過引入這兩種損耗源，確實(shí)使利用Maple軟件的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程更為復(fù)雜，它使所導(dǎo)出的方程過于復(fù)雜，難以利用它來研究應(yīng)用參數(shù)對器件面積的影響。

　　頂部MOSFET損耗

　　讓我們考慮開關(guān)MOSFET中的這兩種來源的損耗：第一種是傳導(dǎo)損耗或歐姆損耗，第二種是動態(tài)損耗。傳導(dǎo)損耗是簡單的I2R x 占空周期損耗，而動態(tài)損耗或開關(guān)損耗是由MOSFET打開或關(guān)閉過程中因漏極到源極之間的電壓及流過它的電流有限所致。損耗可能由下式計算：

　　(1)

　　其中:

　　tr和tf =上升和下降時間;

　　Vin =輸入電壓;

　　ILoad =負(fù)載電流;

　　Fs =開關(guān)頻率;

　　RDSON = MOSFET導(dǎo)通電阻;

　　ΔPWM = 占空周期;

　　Rpackage =封裝阻抗;

　　為了計算tr和tf，我們需要作出下列假設(shè)：

　　tr ≈ tf

　　對于開關(guān)，僅僅考慮門極到漏極的電荷成分Qgd，因?yàn)殚T極電荷Qg在開關(guān)中不發(fā)揮任何作用。

　　其中:

　　Qgd = 門或漏極電荷;

　　Kd = 常數(shù);

　　Id = 在門閥值上的門驅(qū)動電流;

　　A = 裸片面積;

　　替換(1)，我們得到：

　　(2)

　　取(2)—裸片面積A—的一階導(dǎo)數(shù)，我們得到：

　　(3)

　　取二階導(dǎo)數(shù)，我們得到：

　　(4)

　　方程(4)為正，表示為A求解(3)將產(chǎn)生一個函數(shù)的最小值。求解A，我們得到函數(shù)Pdissipation的最小值：

　　(5)

　　而最優(yōu)化裸片面積可能由下式計算：

　　(6)

　　用Vout/Vin替換ΔPWM，而VDrive/Rg替換ID，我們得到：

　　(7)

　　因?yàn)閂outILoad = 輸出功率 = Pout

　　(8)

　　注意：Aoptimum直接正比于√Pout而反比于Vin