中心議題：

• MOSFET的設(shè)計(jì)方法
• 頂部MOSFET損耗
• 同步整流器設(shè)計(jì)

隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)行業(yè)向著工作電流為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(dǎo)體行業(yè)正遭受著巨大的壓力。過(guò)去，MOSFET設(shè)計(jì)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(jié)果。

現(xiàn)在，他們面臨的要求根本背離被動(dòng)響應(yīng)或主動(dòng)前攝的設(shè)計(jì)方法，這種方法本來(lái)應(yīng)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(zhǎng)的需求，從而應(yīng)對(duì)分配給DC-DC轉(zhuǎn)換器越來(lái)越小的體積資源所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。為此，本文在此提出一種具有外科手術(shù)式精度的設(shè)計(jì)方法，來(lái)針對(duì)該市場(chǎng)的需求設(shè)計(jì)MOSFET。這種根本的變革被證明是正當(dāng)?shù)?，因?yàn)槭袌?chǎng)之大，足以證明所需要的花費(fèi)是正當(dāng)?shù)模⑶夷軌蛱峁┓浅M(mǎn)足市場(chǎng)需求的解決方案。

MOSFET設(shè)計(jì)方法

同步升壓轉(zhuǎn)換器是個(gè)人電腦行業(yè)為DC-DC轉(zhuǎn)換器所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且被廣泛地用于電信其它市場(chǎng)。我們?cè)诒疚闹袑H僅考慮這種拓?fù)洌峭环椒ㄒ部赡苓m用于其它的拓?fù)?。我們將嘗試根據(jù)兩個(gè)因素推導(dǎo)計(jì)算最優(yōu)化MOSFET裸片面積的方程。

圖1：升壓轉(zhuǎn)換器。

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(dāng)被用于其目標(biāo)應(yīng)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(shè)計(jì)。

通過(guò)把器件面積與物理應(yīng)用參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，我們可以考察這些參數(shù)對(duì)器件的不同影響，并且在最佳情況下，我們能夠根據(jù)應(yīng)用需求精密設(shè)計(jì)一種器件，或換言之，一種針對(duì)特殊應(yīng)用的MOSFET。這種方法使功率半導(dǎo)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(shè)計(jì)過(guò)程中的推測(cè)工作，從而使開(kāi)發(fā)周期更短且費(fèi)用更低。

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

1. 傳導(dǎo)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(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程更為復(fù)雜，它使所導(dǎo)出的方程過(guò)于復(fù)雜，難以利用它來(lái)研究應(yīng)用參數(shù)對(duì)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(dǎo)損耗或歐姆損耗，第二種是動(dòng)態(tài)損耗。傳導(dǎo)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(jì)算：
(1)
其中：tr和tf =上升和下降時(shí)間；Vin =輸入電壓；ILoad =負(fù)載電流；Fs =開(kāi)關(guān)頻率；RDS(ON) = MOSFET導(dǎo)通電阻；ΔPWM = 占空周期；Rpackage =封裝阻抗；
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為了計(jì)算tr和tf，我們需要作出下列假設(shè)：
tr ≈ tf
對(duì)于開(kāi)關(guān)，僅僅考慮門(mén)極到漏極的電荷成分Qgd，因?yàn)殚T(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(shù)；Id = 在門(mén)閥值上的門(mén)驅(qū)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(dǎo)數(shù)，我們得到：
(3)
取二階導(dǎo)數(shù)，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(shù)的最小值。求解A，我們得到函數(shù)Pdissipation的最小值：
(5)
而最優(yōu)化裸片面積可能由下式計(jì)算：
(6)
用Vout/Vin替換ΔPWM，而VDrive/Rg替換ID，我們得到：
(7)
因?yàn)閂outILoad = 輸出功率 = Pout
(8)
注意：Aoptimum直接正比于√Pout而反比于Vin

同步整流器

利用相同的處理，我們可以導(dǎo)出針對(duì)同步整流器的方程：
(9)
類(lèi)似地，做優(yōu)化裸片面積可由下式表示：
(10)
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我們以頂部MOSFET為例，下圖2所示為在不同輸入電壓時(shí)最優(yōu)化裸片面積和負(fù)載電流之間的關(guān)系。仔細(xì)地考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓從19V變到5V時(shí)，裸片面積增加。

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

這是因?yàn)樵?V電壓時(shí)占空比會(huì)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(dǎo)損耗。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電壓越小，開(kāi)關(guān)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(yōu)化裸片面積和開(kāi)關(guān)頻率之間的關(guān)系。顯然，在動(dòng)態(tài)損耗和傳導(dǎo)損耗之間我們需要采取不同的混合，并且在高開(kāi)關(guān)頻率下動(dòng)態(tài)或開(kāi)關(guān)損耗其支配作用，因此，迫使把裸片面積做得非常小。

圖3：最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。

這些依賴(lài)性在某種程度上不同于我們考慮同步整流器的時(shí)候，因?yàn)榭缭剿碾妷菏菃沃欢O管的壓降，無(wú)論是體二極管或是肖特基二極管，在此，動(dòng)態(tài)損耗比頂部MOSFET要小得多。

這意味著傳導(dǎo)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(jià)，也需要較大的裸片面積和相關(guān)的小RDSON值。如圖4所示，最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下負(fù)載電流的函數(shù)。盡管開(kāi)關(guān)損耗在整個(gè)損耗圖中發(fā)揮的作用較小，在此，仍然要以犧牲RDSON指標(biāo)為代價(jià)，進(jìn)一步減小裸片面積來(lái)實(shí)現(xiàn)更低的Qgd。

圖4：在同步整流器MOSFET不同開(kāi)關(guān)頻率上的最優(yōu)化裸片面積是負(fù)載電流的函數(shù)。

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如圖5所示，功耗是裸片面積的函數(shù)，周?chē)轻槍?duì)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(lài)于裸片面積以及如果裸片面積增加或減少時(shí)這些損耗所增加或減小的劇烈程度。

圖5：功耗是頂部MOSFET裸片面積的函數(shù)。

顯然，我的觀點(diǎn)是：這些方程從為任務(wù)指定最優(yōu)化MOSFET的任務(wù)中獲得推斷，并讓我們把工作重心放在開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足未來(lái)幾年需求的新的制造工藝的任務(wù)之上。

本文小結(jié)

我們?cè)诖艘呀?jīng)介紹了專(zhuān)門(mén)針對(duì)給定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的MOSFET的概念。為了讓MOSFET設(shè)計(jì)工程師把精力集中在需求快速增長(zhǎng)的個(gè)人電腦市場(chǎng)，有必要針對(duì)特定的器件給出范例。盡管對(duì)RDSON和Qgd兩個(gè)前沿課題有待做進(jìn)一步完善，但是，仍然需要針對(duì)特定應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)MOSFET器件。

在MOSFET參數(shù)和應(yīng)用之間的閉環(huán)鏈路要根據(jù)需要來(lái)使用。我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)示出：這樣的一個(gè)鏈路可以由損耗方程中導(dǎo)出，因?yàn)樗鼈冇蒑OSFET的參數(shù)來(lái)修正。

在頂部和同步整流器MOSFET之間，前者是對(duì)設(shè)計(jì)更為重要的器件。這是因?yàn)橐獙?duì)RDSON和Qgd兩者進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)化的性能；而同步整流器則居于其次。

上述方程根據(jù)一組特定的固定參數(shù)清楚地確定了最優(yōu)化的裸片面積。實(shí)際上，有必要被擴(kuò)展到包含一定范圍內(nèi)的工作條件，如頻率、負(fù)載電流、輸入電壓和門(mén)驅(qū)動(dòng)條件。幸運(yùn)的是，在個(gè)人電腦市場(chǎng)，輸入電壓和每相的電流被保持在相當(dāng)窄的范圍內(nèi)。這就使開(kāi)關(guān)頻率和門(mén)驅(qū)動(dòng)器成為唯一的兩個(gè)真實(shí)變量。