高精度MOSFET設計技巧

　　利用相同的處理，我們可以導出針對同步整流器的方程：

　　(9)

　　類似地，做優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化裸片面積和負載電流之間的關系。仔細地考察發現，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損耗。因為開關電壓越小，開關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化裸片面積和開關頻率之間的關系。顯然，在動態損耗和傳導損耗之間我們需要采取不同的混合，并且在高開關頻率下動態或開關損耗其支配作用，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，動態損耗比頂部MOSFET要小得多。

　　這意味著傳導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的小RDSON值。如圖4所示，最優化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下負載電流的函數。盡管開關損耗在整個損耗圖中發揮的作用較小，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更低的Qgd。

　　如圖5所示，功耗是裸片面積的函數，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：這些方程從為任務指定最優化MOSFET的任務中獲得推斷，并讓我們把工作重心放在開發滿足未來幾年需求的新的制造工藝的任務之上。

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

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

　　本文小結

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

　　我們在此已經介紹了專門針對給定應用而設計的MOSFET的概念。

　　為了讓MOSFET設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用來設計MOSFET器件。

　　在MOSFET參數和應用之間的閉環鏈路要根據需要來使用。我們在上面已經示出：這樣的一個鏈路可以由損耗方程中導出，因為它們由MOSFET的參數來修正。

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

　　上述方程根據一組特定的固定參數清楚地確定了最優化的裸片面積。實際上，有必要被擴展到包含一定范圍內的工作條件，如頻率、負載電流、輸入電壓和門驅動條件。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。這就使開關頻率和門驅動器成為唯一的兩個真實變量。

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

　　圖5：功耗是頂部MOSFET裸片面積的函數。