为离线开关电源选择最佳MOSFET

今天，硅 MOSFET 的选择主要分为两大类：平面和/或沟槽 MOSFET 和超结 MOSFET。平面 MOSFET 的有源区靠近管芯表面(图 1a)。为了降低 R DS(on)，需要额外的芯片面积，而为了增加 MOSFET 的电压，芯片必须做得更厚。相比之下，超级结 MOSFET(图 1b)利用其裸片深度来增加沟道面积，从而显着降低其 R DS(on) 对于给定的芯片面积。与平面 MOSFET 相比，通过在更小的表面积内大大增加导电面积，超级结 MOSFET 允许每个额定电流的管芯尺寸更小。作为一个额外的好处，它们提供更低的寄生电容和更快的开关速度。

图 1a：标准平面 MOSFET 结构。

图 1b：通用超级结 MOSFET 的构造。

表 1 比较了标准平面 MOSFET 和 D3 Semiconductor 新推出的高性能 +FET 超级结 MOSFET 之间的关键参数，它们具有几乎相同的漏极电压和电流额定值。如图所示，超级结 MOSFET 的 R DS(on) 和 MOSFET 恼人的寄生电容要低得多，开关速度快三倍以上。真正显着的因素是超级结 MOSFET 的无盖管芯面积是平面 MOSFET 的三分之一。表 1：代表性标准与 D3 超级结 MOSFET 的比较。

超级结 MOSFET 和标准平面 MOSFET 之间的效率比较充分说明了设计人员如何提高典型离线开关电源的成本和开关性能。D3 Semi 的超级结 MOSFET 的裸片面积减少了 73% 以上，输入栅极电容 (C iss ) 减少了 50% 以上，米勒值减少了 69% 以上电容(C RSS)。

电源中的 MOSFET 性能

图 2 显示了在测试开关电源在其预期负载范围内的效率时非常常见的曲线。效率在最大负载和最小负载之间的某个负载处表现出峰值。通过良好的设计，该峰值将位于或接近电源运行超过其运行寿命的 90% 的位置。它的位置和峰值完全取决于在设计过程中权衡各种 MOSFET 参数。

图 2：效率与负载——影响。

在轻负载下，接通时间(占空比)很小。这使得 MOSFET 传导损耗变得不那么显着。在这里，开关和栅极驱动损耗决定了它的效率。在典型电源中，开关频率相对恒定，因此开关和驱动损耗也相对恒定。

在较高负载下，MOSFET(和输出整流器)传导损耗变得比驱动和开关损耗更重要。在这里，R DS(on)的值 变得很重要。与所有电阻开关一样，电源效率会随着输出负载的增加而下降。这种非线性效应是 ID 2 (R DS(on) ) 损失。

设计考虑

在考虑开关电源设计的最佳 MOSFET 时，有许多微妙的方面。传统观点认为，最低的 R DS(on) 会产生最有效的供应。然而，只看电源在一种工作条件下的效率可能会产生很大的误导。为了非常清楚地了解电源在其整个工作范围内的性能，应该考虑在输出负载 (W) 和输入电压的预期范围内效率的变化。

如图 3 所示，该效率峰值有助于为您的设计和工作范围选择“最佳”MOSFET。这就是您的电源在其运行寿命的 90% 以上的情况下出现峰值效率的地方。

图 3：在电源中选择最低 R DS(on) MOSFET 的示例。 图 4 是负载范围内三种损耗行为的定性表示。这仅描述了单独的损失，而不是集体的损失。当这些损失结合起来(相加)时，结果会提供更多信息。

此示例显示了当设计人员 在一系列高压 MOSFET 产品中选择 R DS(on)最低的 MOSFET 时会发生什么。与选择的更高 R DS(on) (更小的芯片面积)器件相比，结果是总体上更低的电源效率。(当然，考虑到 MOSFET 参数和工作条件的范围，结果存在一整套变化。这代表了设计决策不佳的最坏结果。)

图 4：三种损耗在负载范围内的行为。

选择可用的最低 R DS(on) MOSFET 会增加 C iss 和 C rss，这反过来又需要更高的峰值栅极驱动电流。由于栅极驱动器无法在短时间内提供该峰值电流，因此 MOSFET 开关速度较慢(更长的 tSW 和更低的 dVDS/dt)。这大大增加了显着的漏源开关损耗和栅极驱动器损耗。栅极驱动器的损耗与峰值栅极电流的幅度和开关 MOSFET 所需的时间延长有关。

由此产生的驱动和漏源开关损耗会使负载较轻时效率明显变差，并且在算术上也会降低这些损耗的组合效率曲线。这会降低整体效率，尤其是在负载较轻的情况下，并将峰值效率点推向更高的负载。

降低 R DS(on)的感知好处 确实会降低传导损耗，但其总体效果有些微不足道。传导损耗主要负责效率曲线的“曲线”。R DS(on) s越低，弯曲程度越小。由于 R DS(on)降低而导致的效率提高 只是算术上的。导通损耗仍然主要由漏极电流的平方决定。这有助于更高的负载，其中效率主要由传导损耗决定。在图4的情况下，开关损耗和驱动损耗的增加大于提高的效率水平和曲率的改善。这是一个非常可能的结果。

对于一般工程师来说，并没有真正了解 MOSFET 的物理影响，因此选择 MOSFET 一次就可以接受结果。对于有见识的设计人员来说，只有在更彻底地检查 MOSFET 行为时，这才是可以接受的。

在考虑开关电源设计的最佳 MOSFET 时，有许多微妙的方面。对 MOSFET 的结构以及其相互依赖的参数如何影响电源性能的一些基本了解，让设计人员了解为什么从标准平面 MOSFET 迁移到超级结 MOSFET 是令人信服的。

审核编辑：汤梓红