【導讀】在這篇【電源設(shè)計小貼士】中，我們將研究在同步降壓功率級中如何對傳導功耗進行折中處理，而其與占空比和FET電阻比有關(guān)。進行這種折中處理可得到一個用于FET選擇的非常有用的起始點。
通常，作為設(shè)計過程的一個組成部分，您會有一套包括了輸入電壓范圍和期望輸出電壓的規(guī)范，并且需要選擇一些FET。另外，如果您是一名IC 設(shè)計人員，則您還會有一定的預(yù)算，其規(guī)定了FET成本或者封裝尺寸。這兩種輸入會幫助您選擇總 MOSFET芯片面積。之后，這些輸入可用于對各個FET面積進行效率方面的優(yōu)化。
圖1 傳導損耗與FET電阻比和占空比相關(guān)
首先，F(xiàn)ET電阻與其面積成反比例關(guān)系。因此，如果為FET分配一定的總面積，同時您讓高側(cè)面積更大（旨在降低其電阻），則低側(cè)的面積必須減小，而其電阻增加。其次，高側(cè)和低側(cè)FET導電時間的百分比與VOUT/VIN的轉(zhuǎn)換比相關(guān)，其首先等于高側(cè)占空比(D)。高側(cè)FET導通D百分比時間，而剩余(1-D)百分比時間由低側(cè)FET導通。圖1顯示了標準化的傳導損耗，其與專用于高側(cè)FET的FET面積百分比（X 軸）以及轉(zhuǎn)換因數(shù)（曲線）相關(guān)。很明顯，某個設(shè)定轉(zhuǎn)換比率條件下，可在高側(cè)和低側(cè)之間實現(xiàn)最佳芯片面積分配，這時總傳導損耗最小。低轉(zhuǎn)換比率條件下，請使用較小的高側(cè)FET。反之，高轉(zhuǎn)換比率時，請在頂部使用更多的FET。面積分配至關(guān)重要，因為如果輸出增加至3.6V，則針對12V：1.2V 轉(zhuǎn)換比率（10% 占空比）進行優(yōu)化的電路，其傳導損耗會增加30%，而如果輸出進一步增加至6V，則傳導損耗會增加近80%。最后，需要指出的是，50% 高側(cè)面積分配時所有曲線都經(jīng)過同一個點。這是因為兩個FET電阻在這一點相等。
圖2 存在一個基于轉(zhuǎn)換比率的最佳面積比
注意：電阻比與面積比成反比
通過圖1，我們知道50%轉(zhuǎn)換比率時出現(xiàn)最佳傳導損耗極值。但是，在其他轉(zhuǎn)換比率條件下，可以將損耗降至這一水平以下。附錄給出了進行這種優(yōu)化的數(shù)學計算方法，而圖2顯示了其計算結(jié)果。即使在極低的轉(zhuǎn)換比率條件下，F(xiàn)ET芯片面積的很大一部分都應(yīng)該用于高側(cè)FET。高轉(zhuǎn)換比率時同樣如此；應(yīng)該有很大一部分面積用于低側(cè)。這些結(jié)果是對這一問題的初步研究，其并未包括如高側(cè)和低側(cè)FET之間的各種具體電阻值，開關(guān)速度的影響，或者對這種芯片面積進行封裝相關(guān)的成本和電阻等諸多方面。但是，它為確定FET之間的電阻比提供了一個良好的開端，并且應(yīng)會在FET選擇方面實現(xiàn)更好的整體折中。
附錄：圖2的推導過程
