高精度MOSFET設計技巧

隨著(zhù)個(gè)人計算機行業(yè)向著(zhù)工作電流為200A的1V核心電壓推進(jìn)，為了滿(mǎn)足那些需求，并為該市場(chǎng)提供量身定制新型器件所需要的方法，半導體行業(yè)正遭受著(zhù)巨大的壓力。過(guò)去，MOSFET設計工程師只要逐漸完善其性能就能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求并通常獲得滿(mǎn)意的結果。

　　現在，他們面臨的要求根本背離被動(dòng)響應或主動(dòng)前攝的設計方法，這種方法本來(lái)應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(mǎn)足日益增長(cháng)的需求，從而應對分配給DC-DC轉換器越來(lái)越小的體積資源所帶來(lái)的挑戰。為此，本文在此提出一種具有外科手術(shù)式精度的設計方法，來(lái)針對該市場(chǎng)的需求設計MOSFET。這種根本的變革被證明是正當的，因為市場(chǎng)之大，足以證明所需要的花費是正當的，并且能夠提供非常滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的解決方案。

　　圖1：升壓轉換器。

　　MOSFET設計方法

　　同步升壓轉換器是個(gè)人電腦行業(yè)為DC-DC轉換器所選擇的拓撲結構，并且被廣泛地用于電信其它市場(chǎng)。我們在本文中將僅僅考慮這種拓撲，但是同一方法也可能適用于其它的拓撲。我們將嘗試根據兩個(gè)因素推導計算最優(yōu)化MOSFET裸片面積的方程。

　　1. 它在電路中的作用是功率開(kāi)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(guò)最優(yōu)化的MOSFET，當被用于其目標應用—即開(kāi)關(guān)MOSFET或同步整流器—時(shí)，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)行的特殊器件設計。

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

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

　　1. 傳導損耗;

　　2. 動(dòng)態(tài)或開(kāi)關(guān)損耗。

　　一直以來(lái)，人們忽略了門(mén)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(kāi)關(guān)頻率和12V輸入電壓的條件下，這兩種損耗源在整個(gè)器件的損耗中占很小的百分比。另一方面，通過(guò)引入這兩種損耗源，確實(shí)使利用Maple軟件的數學(xué)推導過(guò)程更為復雜，它使所導出的方程過(guò)于復雜，難以利用它來(lái)研究應用參數對器件面積的影響。

　　頂部MOSFET損耗

　　讓我們考慮開(kāi)關(guān)MOSFET中的這兩種來(lái)源的損耗：第一種是傳導損耗或歐姆損耗，第二種是動(dòng)態(tài)損耗。傳導損耗是簡(jiǎn)單的I2R x 占空周期損耗，而動(dòng)態(tài)損耗或開(kāi)關(guān)損耗是由MOSFET打開(kāi)或關(guān)閉過(guò)程中因漏極到源極之間的電壓及流過(guò)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(shí)間;

　　Vin =輸入電壓;

　　ILoad =負載電流;

　　Fs =開(kāi)關(guān)頻率;

　　RDSON = MOSFET導通電阻;

　　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：

　　tr ≈ tf

　　對于開(kāi)關(guān)，僅僅考慮門(mén)極到漏極的電荷成分Qgd，因為門(mén)極電荷Qg在開(kāi)關(guān)中不發(fā)揮任何作用。

　　其中:

　　Qgd = 門(mén)或漏極電荷;

　　Kd = 常數;

　　Id = 在門(mén)閥值上的門(mén)驅動(dòng)電流;

　　A = 裸片面積;

　　替換(1)，我們得到：

　　(2)

　　取(2)—裸片面積A—的一階導數，我們得到：

　　(3)

　　取二階導數，我們得到：

　　(4)

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

　　因為VoutILoad = 輸出功率 = Pout

　　(8)

　　注意：Aoptimum直接正比于√Pout而反比于Vin