为同步整流选择最优化的MOSFET
1. 引言
用mosfet替代二极管引发了新的挑战——优化系统能效和控制电压过冲。本应用笔记介绍了通过利用英飞凌optimos™3解决方案的优化表(适用于30 v、40 v、60 v、75 v、80 v、100 v、120 v和150 v等应用)帮助选择最佳mosfet的方法。
图1. 二极管整流与同步整流之比较
. 同步整流基础知识
要选择最优的mosfet来实现同步整流，必须充分理解mosfet的功耗产生机制。首先，必须区分开随负载而变化的导通损耗与基本保持不变的开关损耗。导通损耗取决于mosfet的rds(on)和内部体二极管的正向电压vsd。随着输出电流的提高，导通损耗(rds(on)损耗)也会相应地增加。为确保两个sr mosfet之间互锁，以避免出现直通电流，必须实现一定的死区时间。因此，在开启一次侧之前，必须关断相应的mosfet。由于该mosfet正在导通全部续流电流，因此，这些电流将不得不从mosfet沟道转而流向内部的体二极管，并由此产生额外的体二极管损耗。体二极管的导通时间很短，仅为50 ns至100 ns左右，因而，当输出电压比体二极管的正向电压高得多时，这些损耗可以忽略不计。
取决于电源转换器的开关频率和输出负载，开关损耗对mosfet的总功耗有很大影响。mosfet开启时，必须对栅极进行充电，以产生栅极电荷qg。mosfet关断时，则必须将栅极中的电荷放电至源极，这就意味着qg将消散在栅极电阻和栅极驱动器中。对于特定mosfet技术，栅极驱动损耗会随着rds(on)的降低而增加，因为硅片越大qg就越多。
在总开关损耗中占很大比例的另一种损耗与mosfet的输出电容coss和反向恢复电荷qrr有关。mosfet关断时，必须将qrr移走，并且必须将输出电容充电至次级变压器电压。这个过程会导致反向电流峰值，该电流将耦合到交换环路的电感中。所以，这些电量将被转移至mosfet的输出电容，加上之前存储的电量，将由此产生电压尖峰。这些电量将触发lc振荡电路。lc振荡电路的性能取决于印刷电路板的感应系数和mosfet的输出电容coss。lc电路的寄生串联电阻将减弱振荡。由于这种在关断过程中产生的感应电量直接取决于mosfet coss(相应地，当输出电容被充电至次级变压器电压时，则为输出电荷qoss)，因此，总coss决定了容性关断损耗。对于栅极电荷也是如此，qoss会随着rds(on)的降低而增加。因此，总是能找到可以实现最高效率的导通损耗与开关损耗之间的平衡点。
大致上，对于optimos™3产品而言，qrr可以忽略不计，因为其对总功耗的影响微乎其微。在这种情况下，qrr仅被视为mosfet体二极管的反向恢复电荷，而数据手册中的qrr则是按照jedec标准测得的，因此，除体二极管qrr之外，还包含mosfet的部分输出电荷。此外，其他因素也会导致应用中的实际qrr值低于数据手册所提供的qrr值。数据手册中的值是在对体二极管施以允许的最高mosfet漏极电流、体二极管导通时间长达500 μs并且di/dt值固定为100a/μs的条件下测得的。在实际应用中，通常电流仅为最高漏极电流的三分之一左右甚至更低，体二极管导通时间在20ns至100ns范围内，并且di/dt可能高达800a/μs。
3. 优化同步整流mosfet
要优化sr mosfet的效率，必须找到开关损耗与导通损耗之间的最佳平衡点。在轻负载条件下，rds(on)导通损耗占总功耗的比例极低。在这种情况下，在整个负载范围内基本保持不变的开关损耗是主要损耗。但是，当输出电流较高时，导通损耗则成为最主要的损耗，其占总功耗的比例也最高，请参见图2。
图2. 功耗构成与输出电流的关系
在选择最适当的mosfet时，必须特别注意rds(on) 的取值范围，如图3所示。当rds(on)超出最优值时，总功耗将随rds(on)的提高而线性增加。但当rds(on) 降至低于最优值时，总功耗也会因输出电容的快速增加而急剧上升。此外，在图3中可以看出，可实现最低功耗的rds(on)值范围相当宽。在本例中，当rds(on)在1毫欧姆至3毫欧姆范围内时，总功耗始终大致相同。但是，在此范围之外，rds(on)仅下降0.5毫欧姆，便会令总功耗提高一倍，从而严重降低电源转换器的效率。
图3. 功耗与rds(on)值的关系
对于优化sr，另一个重要的问题是正确选择mosfet封装。只要将to-220封装替换为superso8封装即可实现效率提升。这是因为，superso8封装的电阻占总rds(on)的比例更低。在降低rds(on)的同时，保持输出电容不变，能够降低fomqoss。fomqoss是特定mosfet解决方案的性能指标(fomqoss= rds(on) * qoss)。因此，降低fomqoss可以降低开关损耗，从而提高系统能效。
4. 应当按何种负载电流优化mosfet?
要在整个负载范围内实现均衡的效率，必须借助四象限sr器件优化表对mosfet电流做出合理的选择。采用满负载优化，可以在输出电流较高时实现良好的效率。但是，当负载较低时，这种方法会大大降低效率，并且所需并联mosfet的数量将多得不能接受。因此，必须找到最优mosfet电流，以在整个输出电流范围内实现相对恒定的效率值。
为阐明这个问题，图4显示了不同优化方法得到的效率。图中所示效率曲线为，当变压器电压为40v、栅极驱动电压为10v、开关频率为100khz时计算得到的12v同步整流级的效率。在75v优化表中选择 ipp034ne7n3，按10 a mosfet电流进行设计，所得到的优化方案仅需一个mosfet。如图4所示，这种优化方案能够在低电流时实现很高的效率，而在高电流时效率却极低。按50 a进行优化设计，所得到的最佳方案则需要5个mosfet。采用这种优化方案，低电流时的效率将低得不能接受，但在满负载时可以达到最高效率。因此，对该设置而言，最佳优化方案是采用两个并联的mosfet，从而获得整体均衡的效率。
通常，按最高输出功率的20%至30%对mosfet进行优化，可以获得均衡的总体效率。对于强调轻负载效率的系统，可以按最高电流的10%至20%的低电流进行优化;而对于高负载设计，则适于按最高电流的60%进行优化。应当避免按100%输出负载进行优化，因为这会严重降低系统的低负载效率，并大大增加所需并联的mosfet数量。
图4. 不同优化方法实现的效率不尽相同
5. 借助四象限sr器件优化表选择mosfet
为了帮助开发人员更轻松地为sr应用选择最优mosfet，下面介绍一个四象限sr器件优化表。借助这个优化表，可以根据三个应用参数找到最适合的器件：次级变压器电压、开关频率和rms mosfet电流。为便于理解，图5给出了一个实际的例子。
图5. 四象限sr器件优化表
使用优化表时，首先从次级变压器电压开始。在所用电压值位置，画一条垂直的直线。在两条线相交处可以选出特定的mosfet。通过一条水平的直线和一条垂直的直线，便可选择开关频率和mosfet电流。如前面所讨论，按最好从满负载的20%至30%的电流值开始进行选择。此时，可以在正y轴上读取最优rds(on)值。在第四个象限中，显示了并联mosfet的最佳数量。在第四个象限中，必须选择之前在第一个象限中选定的mosfet型号。然后，按同样的参数(变压器电压、开关频率和电流rms)对另一个型号的mosfet重复执行这个选择过程。比较两次选择所得到的最优rds(on)值，最优rds(on)值越低的mosfet所产生的功耗也越低，因而是更加高效的解决方案。
这个mosfet选择方法，是在假定应用具备最优开关性能的条件下计算得到的。如果发生了诸如动态开启或雪崩等二阶效应，那么这个优化表可能不准确。此外，硬开关转换器拓扑可实现最佳结果。任何谐振软开关拓扑均可能导致失配，因为可以回收利用开关过程产生的部分电量。在这种情况下，实际最优rds(on) 值将低于计算得到的值。请注意，一次侧采用准谐振拓扑(例如相移zvs全桥)也可使二次侧的同步整流实现硬开关性能，从而也可以利用这种设计优化表来进行优化。
从这种优化表得到的所有结果，均以理想的mosfet性能为前提。根据经验，实际应用的结果与按理想状况计算得到的结果有所不同。因此，利用这种优化表得到的结果应作为最优器件选择的参考，以防止mosfet性能不足或过高。如果利用这种优化表得到的结果是在两个不同的并联mosfet数量之间，那么，数量较低的方案是适于低负载的优化方案，而数量较高的方案则是更适于高功率的优化方案。此外，任何与同步整流级并联的缓冲网络均会影响器件的选择，因此，在设计时也必须予以考虑。
要在整个负载范围内实现总体优化，仅一次计算是不够的。除按特定负载值(电流值)计算最优mosfet之外，还需要按不同负载电流在这个四象限优化表上进行多次计算，以扩大优化范围。同时，还要根据实际应用要求，调整所得结果。
SLAM 和多传感机器人：很快就会出现在每个家庭中
谷歌宣布更新Analytis,旨在帮助企业更好服务客户
三一工程车辆事业部发布新系列智能新能源自卸车
介绍assert的使用方法
影驰GTX1070骨灰大将怎么样？2K游戏小意思
为同步整流选择最优化的MOSFET
魅族Note8评测 品质与性价比兼得
软银孙正义如何成为美国硅谷最有权势之人？
最大化Rust性能：编译器优化的比较分析
直流、射频和光学探头定位器，可实现最高精度的测量
iPhone销量大幅度下降？减产10%
普源（RIGOL)RP1010H高压探头产品手册-PRBTEK分享
防雷装置检测实施细则
公交wifi变现难 16WiFi被迫关停十几个城市业务
老式ISA设备的WDM驱动程序的开发与实现
2012财富美国500强：苹果利润仅次于埃克森美孚
美格智能高算力智能模组SNM951——游戏“上云”，一秒即应
FM25CL64B-GTR是一款串行FRAM存储器
小米6放弃骁龙835和超声波指纹，上自家高端松果！
2020年二季度5G智能手机占全球手机出货量的10%
用mosfet替代二极管引发了新的挑战——优化系统能效和控制电压过冲。本应用笔记介绍了通过利用英飞凌optimos™3解决方案的优化表(适用于30 v、40 v、60 v、75 v、80 v、100 v、120 v和150 v等应用)帮助选择最佳mosfet的方法。
图1. 二极管整流与同步整流之比较
. 同步整流基础知识
要选择最优的mosfet来实现同步整流，必须充分理解mosfet的功耗产生机制。首先，必须区分开随负载而变化的导通损耗与基本保持不变的开关损耗。导通损耗取决于mosfet的rds(on)和内部体二极管的正向电压vsd。随着输出电流的提高，导通损耗(rds(on)损耗)也会相应地增加。为确保两个sr mosfet之间互锁，以避免出现直通电流，必须实现一定的死区时间。因此，在开启一次侧之前，必须关断相应的mosfet。由于该mosfet正在导通全部续流电流，因此，这些电流将不得不从mosfet沟道转而流向内部的体二极管，并由此产生额外的体二极管损耗。体二极管的导通时间很短，仅为50 ns至100 ns左右，因而，当输出电压比体二极管的正向电压高得多时，这些损耗可以忽略不计。
取决于电源转换器的开关频率和输出负载，开关损耗对mosfet的总功耗有很大影响。mosfet开启时，必须对栅极进行充电，以产生栅极电荷qg。mosfet关断时，则必须将栅极中的电荷放电至源极，这就意味着qg将消散在栅极电阻和栅极驱动器中。对于特定mosfet技术，栅极驱动损耗会随着rds(on)的降低而增加，因为硅片越大qg就越多。
在总开关损耗中占很大比例的另一种损耗与mosfet的输出电容coss和反向恢复电荷qrr有关。mosfet关断时，必须将qrr移走，并且必须将输出电容充电至次级变压器电压。这个过程会导致反向电流峰值，该电流将耦合到交换环路的电感中。所以，这些电量将被转移至mosfet的输出电容，加上之前存储的电量，将由此产生电压尖峰。这些电量将触发lc振荡电路。lc振荡电路的性能取决于印刷电路板的感应系数和mosfet的输出电容coss。lc电路的寄生串联电阻将减弱振荡。由于这种在关断过程中产生的感应电量直接取决于mosfet coss(相应地，当输出电容被充电至次级变压器电压时，则为输出电荷qoss)，因此，总coss决定了容性关断损耗。对于栅极电荷也是如此，qoss会随着rds(on)的降低而增加。因此，总是能找到可以实现最高效率的导通损耗与开关损耗之间的平衡点。
大致上，对于optimos™3产品而言，qrr可以忽略不计，因为其对总功耗的影响微乎其微。在这种情况下，qrr仅被视为mosfet体二极管的反向恢复电荷，而数据手册中的qrr则是按照jedec标准测得的，因此，除体二极管qrr之外，还包含mosfet的部分输出电荷。此外，其他因素也会导致应用中的实际qrr值低于数据手册所提供的qrr值。数据手册中的值是在对体二极管施以允许的最高mosfet漏极电流、体二极管导通时间长达500 μs并且di/dt值固定为100a/μs的条件下测得的。在实际应用中，通常电流仅为最高漏极电流的三分之一左右甚至更低，体二极管导通时间在20ns至100ns范围内，并且di/dt可能高达800a/μs。
3. 优化同步整流mosfet
要优化sr mosfet的效率，必须找到开关损耗与导通损耗之间的最佳平衡点。在轻负载条件下，rds(on)导通损耗占总功耗的比例极低。在这种情况下，在整个负载范围内基本保持不变的开关损耗是主要损耗。但是，当输出电流较高时，导通损耗则成为最主要的损耗，其占总功耗的比例也最高，请参见图2。
图2. 功耗构成与输出电流的关系
在选择最适当的mosfet时，必须特别注意rds(on) 的取值范围，如图3所示。当rds(on)超出最优值时，总功耗将随rds(on)的提高而线性增加。但当rds(on) 降至低于最优值时，总功耗也会因输出电容的快速增加而急剧上升。此外，在图3中可以看出，可实现最低功耗的rds(on)值范围相当宽。在本例中，当rds(on)在1毫欧姆至3毫欧姆范围内时，总功耗始终大致相同。但是，在此范围之外，rds(on)仅下降0.5毫欧姆，便会令总功耗提高一倍，从而严重降低电源转换器的效率。
图3. 功耗与rds(on)值的关系
对于优化sr，另一个重要的问题是正确选择mosfet封装。只要将to-220封装替换为superso8封装即可实现效率提升。这是因为，superso8封装的电阻占总rds(on)的比例更低。在降低rds(on)的同时，保持输出电容不变，能够降低fomqoss。fomqoss是特定mosfet解决方案的性能指标(fomqoss= rds(on) * qoss)。因此，降低fomqoss可以降低开关损耗，从而提高系统能效。
4. 应当按何种负载电流优化mosfet?
要在整个负载范围内实现均衡的效率，必须借助四象限sr器件优化表对mosfet电流做出合理的选择。采用满负载优化，可以在输出电流较高时实现良好的效率。但是，当负载较低时，这种方法会大大降低效率，并且所需并联mosfet的数量将多得不能接受。因此，必须找到最优mosfet电流，以在整个输出电流范围内实现相对恒定的效率值。
为阐明这个问题，图4显示了不同优化方法得到的效率。图中所示效率曲线为，当变压器电压为40v、栅极驱动电压为10v、开关频率为100khz时计算得到的12v同步整流级的效率。在75v优化表中选择 ipp034ne7n3，按10 a mosfet电流进行设计，所得到的优化方案仅需一个mosfet。如图4所示，这种优化方案能够在低电流时实现很高的效率，而在高电流时效率却极低。按50 a进行优化设计，所得到的最佳方案则需要5个mosfet。采用这种优化方案，低电流时的效率将低得不能接受，但在满负载时可以达到最高效率。因此，对该设置而言，最佳优化方案是采用两个并联的mosfet，从而获得整体均衡的效率。
通常，按最高输出功率的20%至30%对mosfet进行优化，可以获得均衡的总体效率。对于强调轻负载效率的系统，可以按最高电流的10%至20%的低电流进行优化;而对于高负载设计，则适于按最高电流的60%进行优化。应当避免按100%输出负载进行优化，因为这会严重降低系统的低负载效率，并大大增加所需并联的mosfet数量。
图4. 不同优化方法实现的效率不尽相同
5. 借助四象限sr器件优化表选择mosfet
为了帮助开发人员更轻松地为sr应用选择最优mosfet，下面介绍一个四象限sr器件优化表。借助这个优化表，可以根据三个应用参数找到最适合的器件：次级变压器电压、开关频率和rms mosfet电流。为便于理解，图5给出了一个实际的例子。
图5. 四象限sr器件优化表
使用优化表时，首先从次级变压器电压开始。在所用电压值位置，画一条垂直的直线。在两条线相交处可以选出特定的mosfet。通过一条水平的直线和一条垂直的直线，便可选择开关频率和mosfet电流。如前面所讨论，按最好从满负载的20%至30%的电流值开始进行选择。此时，可以在正y轴上读取最优rds(on)值。在第四个象限中，显示了并联mosfet的最佳数量。在第四个象限中，必须选择之前在第一个象限中选定的mosfet型号。然后，按同样的参数(变压器电压、开关频率和电流rms)对另一个型号的mosfet重复执行这个选择过程。比较两次选择所得到的最优rds(on)值，最优rds(on)值越低的mosfet所产生的功耗也越低，因而是更加高效的解决方案。
这个mosfet选择方法，是在假定应用具备最优开关性能的条件下计算得到的。如果发生了诸如动态开启或雪崩等二阶效应，那么这个优化表可能不准确。此外，硬开关转换器拓扑可实现最佳结果。任何谐振软开关拓扑均可能导致失配，因为可以回收利用开关过程产生的部分电量。在这种情况下，实际最优rds(on) 值将低于计算得到的值。请注意，一次侧采用准谐振拓扑(例如相移zvs全桥)也可使二次侧的同步整流实现硬开关性能，从而也可以利用这种设计优化表来进行优化。
从这种优化表得到的所有结果，均以理想的mosfet性能为前提。根据经验，实际应用的结果与按理想状况计算得到的结果有所不同。因此，利用这种优化表得到的结果应作为最优器件选择的参考，以防止mosfet性能不足或过高。如果利用这种优化表得到的结果是在两个不同的并联mosfet数量之间，那么，数量较低的方案是适于低负载的优化方案，而数量较高的方案则是更适于高功率的优化方案。此外，任何与同步整流级并联的缓冲网络均会影响器件的选择，因此，在设计时也必须予以考虑。
要在整个负载范围内实现总体优化，仅一次计算是不够的。除按特定负载值(电流值)计算最优mosfet之外，还需要按不同负载电流在这个四象限优化表上进行多次计算，以扩大优化范围。同时，还要根据实际应用要求，调整所得结果。
SLAM 和多传感机器人：很快就会出现在每个家庭中
谷歌宣布更新Analytis,旨在帮助企业更好服务客户
三一工程车辆事业部发布新系列智能新能源自卸车
介绍assert的使用方法
影驰GTX1070骨灰大将怎么样？2K游戏小意思
为同步整流选择最优化的MOSFET
魅族Note8评测 品质与性价比兼得
软银孙正义如何成为美国硅谷最有权势之人？
最大化Rust性能：编译器优化的比较分析
直流、射频和光学探头定位器，可实现最高精度的测量
iPhone销量大幅度下降？减产10%
普源（RIGOL)RP1010H高压探头产品手册-PRBTEK分享
防雷装置检测实施细则
公交wifi变现难 16WiFi被迫关停十几个城市业务
老式ISA设备的WDM驱动程序的开发与实现
2012财富美国500强：苹果利润仅次于埃克森美孚
美格智能高算力智能模组SNM951——游戏“上云”，一秒即应
FM25CL64B-GTR是一款串行FRAM存储器
小米6放弃骁龙835和超声波指纹，上自家高端松果！
2020年二季度5G智能手机占全球手机出货量的10%