挑選合適元件(Mosfet)讓您天天準時下班.

準時下班?Cost down ? 燒板子?找不到合適Mosfet?

在DC/DC的世界裡您還在迷惘嗎?老闆說的,客戶要的,消費者想的,無非就是高C/P值產品.

讓我們幫助您在DC-DC世界裡挑選合適Mosfet ,準時下班再也不會是夢想

 

1. 降壓轉換器的基本工作

  以下是降壓轉換器的基本電路和工作，以及電流的流向。

• Fig.1表示開關元素Q₁為ON之狀態。
• 當Q₁為ON時，電流從輸入V_IN通過線圈L充電輸出電容C_O，由輸出電流I_O供給。
• 此時線圈L所流動之電流將產生磁界，電氣能源被變換成磁能後蓄積。
• Fig.2表示開關元素Q₁為OFF之狀態。
• 當Q₁為OFF時，二極體D₁為ON，L所蓄積能源將被釋放至輸出方。

此基本電路圖表示二極體整流（非同步整流）型之降壓電路。同步整流的情況下會將D₁置換成開關元素（電晶體），雖然與Q₁相反會變成ON/OFF工作，不過基本上相同。

下圖是上述Fig.1和Fig.2的總整理，表示主要節點之電壓或電流波形。

2.H/L Mosfet挑選攻略

• Vds耐壓

以19Vin應用,需選擇30V耐壓Mosfet 在H/L Mosfet.

業界共識為 耐壓*0.9/0.8 我們稱之為 Derating但這共識並無明確規範,端看公司政策.

以此規則的耐壓分別為27v/24v,量測出來的D to S 跨壓不能超過其值.

         30*0.9 = 27v /  30*0.8 = 24v

• Vgs fully turn on

 以Vishay Mosfet 舉例(表1)導通的條件為 Vgs >4.5v時, 這意思是Mosfet在此條件下處於”工作區”,也可以從(表2)來判斷元件的最”低”的fully turn on條件 ,
 
  Vishay SiRA14BDP 條件為 Vgs =4.5v 元件進入工作區.

• Mosfet Rds (on) 及Ciss/Crss 選擇考量

一般主機板CPU VRM為BUCK(降壓式)DC/DC 架構，如上圖所示。當中包括了UPPER 跟LOWER MOSFET

這兩顆MOSET所扮演的角色為

(1)作為功率開關,來將輸入的能量轉換至輸出

(2)藉由互補式的開或關來達到同步整流

然由於MOSFET並非理想的開關，因此在作能量轉換時會有以下兩種型式的功率損失

(1)Turn_ON時並非零導通阻抗,因此存在導通功率損失,一般稱為導通損失或歐姆損失

(2)當MOSFET在作ON/OFF切換的過程中,由於開關切換的頻率及Rise time太大而造成的開關損失或稱動態損失

以下將針對UPPER跟LOWER MOSFET細部的 損失做一介紹

 

• 導通損失
• 電流流過MOSFET的Rdson會產生電阻損耗 ,針對UPPER及LOWER MOSFT的導通損失如下

 

• 切換損失
• 切換損耗是由HS和LS MOSFET開關造成的損耗，這些損耗可以通過下列兩個方程來計

其中

D =Duty cycle ≈ Vout/ Vin

Iout = 負載電流

Rdson = MOSFET等效導通電阻

Vin = 電源輸入電壓

Vout =輸出電壓

Tr=開關上升時間

Tf=開關下降時間

Fs=開關頻率

Vd=MOSFET body diode 順向導通電壓

Qrr= 反向恢復電荷

由上述可知主宰著MOSFET損失的參數不只有Rdson ，其中主宰著切換損失非常重要的一個參數MOSFET的Ciss/Crss 。

MOSFET的模型如下所示,在三端各有一個等效電容，而這個電容關係著MOSFET在作ON/OFF時的上升/下降的速度。

如圖所示切換損失主要由VDS及ID的乘積決定，若切換的速度太慢則VDS跟ID的乘積會變大亦即切換損失變大，在這種情況下，

對UPPER MOSFET我們必須選擇較低的Ciss/Crss來降低switching loss 。

然由於MOSFET的物理特性，較低的Rdson會得到一個較大的Ciss/Crss ，所以DC/DC MOSFET的選用並不是一昧的選擇低Rdson的即可，

而是要針對Upper或Lower MOSFET分別選用不同的Rdson 及Ciss/Crss 規格。

 

參考資料 :

 電源設計技術資訊網站https://techweb.rohm.com.tw/knowledge/dcdc/dcdc_pwm/dcdc_pwm02/2200/