开关电源的 MOSFET 选择

DC/DC开关控制器的 MOSFET 选择是一个复杂的过程。仅仅考虑 MOSFET 的额定电压和电流并不足以选择到合适的 MOSFET。要想让 MOSFET 维持在规定范围以内，必须在低栅极电荷和低导通电阻之间取得平衡。在多负载电源系统中，这种情况会变得更加复杂。

—降压同步开关稳压器原理图

DC/DC 开关电源因其高效率而广泛应用于现代许多电子系统中。例如，同时拥有一个高侧 FET和低侧 FET 的降压同步开关稳压器，如图 1 所示。这两个 FET 会根据控制器设置的占空比进行开关操作，旨在达到理想的输出电压。降压稳压器的占空比方程式如下：1) 占空比 (高侧FET,上管) = Vout/(Vin*效率) 2) 占空比 (低侧FET，下管) = 1 – DC (高侧FET)FET可能会集成到与控制器一样的同一块芯片中，从而实现一种最为简单的解决方案。但是，为了提供高电流能力及（或）达到更高效率，FET 需要始终为控制器的外部元件。这样便可以实现最大散热能力，因为它让FET物理隔离于控制器，并且拥有最大的 FET 选择灵活性。它的缺点是 FET 选择过程更加复杂，原因是要考虑的因素有很多。一个常见问题是“为什么不让这种 10A FET 也用于我的 10A 设计呢？”答案是这种 10A 额定电流并非适用于所有设计。

开关处在导通状态下出现 DC 损耗，其原因是 FET 的导通电阻。这是一种十分简单的 I2R 损耗形成机制，如图 4 所示。但是，导通电阻会随 FET 结温而变化，这便使得这种情况更加复杂。所以，使用方程式 3）、4）和 5）准确计算导通电阻时，就必须使用迭代方法，并要考虑到 FET 的温升。降低 DC 损耗最简单的一种方法是选择一个低导通电阻的 FET。另外，DC 损耗大小同FET 的百分比导通时间成正比例关系，其为高侧 FET控制器占空比加上 1 减去低侧 FET 占空比，如前所述。由图 5 可以知道，更长的导通时间就意味着更大的DC 开关损耗，因此，可以通过减小导通时间/FET 占空比来降低 DC 损耗。例如，如果使用了一个中间 DC 电压轨，并且可以修改输入电压的情况下，设计人员或许就可以修改占空比。

尽管选择一个低栅极电荷和低导通电阻的 FET 是一种简单的解决方案，但是需要在这两种参数之间做一些折中和平衡。低栅极电荷通常意味着更小的栅极面积/更少的并联晶体管，以及由此带来的高导通电阻。另一方面，使用更大/更多并联晶体管一般会导致低导通电阻，从而产生更多的栅极电荷。这意味着，FET 选择必须平衡这两种相互冲突的规范。另外，还必须考虑成本因素。

低占空比设计意味着高输入电压，对这些设计而言，高侧 FET 大多时候均为关断，因此 DC 损耗较低。但是，高 FET 电压带来高 AC 损耗，所以可以选择低栅极电荷的 FET，即使导通电阻较高。低侧 FET 大多数时候均为导通状态，但是 AC 损耗却最小。这是因为，导通/关断期间低侧 FET 的电压因 FET 体二极管而非常地低。因此，需要选择一个低导通电阻的 FET，并且栅极电荷可以很高。图 7 显示了上述情况。

如果降低输入电压，则可以得到一个高占空比设计，其高侧 FET 大多数时候均为导通状态，如图 8 所示。这种情况下，DC 损耗较高，要求低导通电阻。根据不同的输入电压，AC 损耗可能并不像低侧 FET 时那样重要，但还是没有低侧 FET 那样低。因此，仍然要求适当的低栅极电荷。这要求在低导通电阻和低栅极电荷之间做出妥协。就低侧 FET 而言，导通时间最短，且 AC 损耗较低，因此可以按照价格或者体积而非导通电阻和栅极电荷原则，选择正确的 FET。