电源设计中同步降压MOSFET电阻比的正确选择

中心议题：
    * 同步降压MOSFET电阻比的正确选择

在本文中，我们将研究在同步降压功率级中如何对传导功耗进行折中处理，而其与占空比和FET电阻比有关。进行这种折中处理可得到一个用于FET选择的非常有用的起始点。通常，作为设计过程的一个组成部分，您会有一套包括了输入电压范围和期望输出电压的规范，并且需要选择一些FET。另外，如果您是一名IC设计人员，则您还会有一定的预算，其规定了FET成本或者封装尺寸。这两种输入会帮助您选择总MOSFET芯片面积。之后，这些输入可用于对各个FET面积进行效率方面的优化。


图 1:传导损耗与FET电阻比和占空比相关
首先，FET电阻与其面积成反比例关系。因此，如果为FET分配一定的总面积，同时您让高侧面积更大（旨在降低其电阻），则低侧的面积必须减小，而其电阻增加。其次，高侧和低侧FET导电时间的百分比与VOUT/VIN的转换比相关，其首先等于高侧占空比(D)。高侧FET导通D百分比时间，而剩余 (1-D) 百分比时间由低侧FET导通。图 1显示了标准化的传导损耗，其与专用于高侧FET的FET面积百分比（X 轴）以及转换因数（曲线）相关。很明显，某个设定转换比率条件下，可在高侧和低侧之间实现最佳芯片面积分配，这时总传导损耗最小。低转换比率条件下，请使用较小的高侧FET。反之，高转换比率时，请在顶部使用更多的FET。面积分配至关重要，因为如果输出增加至3.6V，则针对12V：1.2V转换比率（10%占空比）进行优化的电路，其传导损耗会增加30%，而如果输出进一步增加至6V，则传导损耗会增加近80%。最后，需要指出的是，50%高侧面积分配时所有曲线都经过同一个点。这是因为两个FET电阻在这一点相等。


图2 存在一个基于转换比率的最佳面积比（注意：电阻比与面积比成反比 ）
通过图1，我们知道50%转换比率时出现最佳传导损耗极值。但是，在其他转换比率条件下，可以将损耗降至这一水平以下。附录1给出了进行这种优化的数学计算方法，而图2显示了其计算结果。即使在极低的转换比率条件下，FET芯片面积的很大一部分都应该用于高侧FET。高转换比率时同样如此；应该有很大一部分面积用于低侧。这些结果是对这一问题的初步研究，其并未包括如高侧和低侧FET之间的各种具体电阻值，开关速度的影响，或者对这种芯片面积进行封装相关的成本和电阻等诸多方面。但是，它为确定FET之间的电阻比提供了一个良好的开端，并且应会在FET选择方面实现更好的整体折中。

附录：图 2的推导过程