四個外部 N 溝道 MOSFET 用于同步開關降壓/升壓電池充電器。柵極驅動器集成到具有 5V 柵極驅動電壓的 IC 中??蓪⑼獠繓艠O驅動電壓直接提供至 DRV_SUP 引腳,以提高效率。
品質因數 (FOM) 通常用于根據導通損耗和開關損耗之間的權衡來選擇合適的 MOSFET。對于頂部 MOSFET,FOM 定義為 MOSFET 導通電阻 RDS(ON) 與柵漏電荷 QGD 的乘積。對于底部 MOSFET,FOM 定義為 MOSFET 導通電阻 RDS(ON) 與總柵極電荷 QG 的乘積。
方程式 18. FOMtop = RDS(on) · QGD; FOMbottom = RDS(on) · QG
FOM 值越低,總功率損耗越低。通常,在相同的封裝尺寸下,較低的 RDS(ON) 具有較高的成本。
頂部 MOSFET 損耗包括導通損耗和開關損耗。以降壓模式運行為例,功率損耗是占空比 (D=VOUT/VIN)、充電電流 (ICHG)、MOSFET 導通電阻 (RDS(ON)_top)、輸入電壓 (VIN)、開關頻率 (fS)、開通時間 (ton) 和關斷時間 (toff) 的函數:
方程式 19. Ptop =Pcon_top+Psw_top
方程式 20. Pcon_top =D · IL_RMS2 · RDS(on)_top;
方程式 21. IL_RMS2=IL_DC2+Iripple2/12
- IL_DC 平均電感器直流電流;
- Iripple 是電感器電流紋波峰峰值;
方程式 22. Psw_top =PIV_top+PQoss_top+PGate_top;
第一項 Pcon_top 表示直接的導通損耗。第二項 Psw_top 表示頂部 MOSFET 中的多個開關損耗項,包括電壓和電流重疊損耗 (PIV_top)、MOSFET 寄生輸出電容損耗 (PQoss_top) 和柵極驅動損耗 (PGate_top)。計算電壓和電流重疊損耗 (PIV_top):
方程式 23. PIV_top =0.5x VIN · Ivalley · ton· fS+0.5x VIN · Ipeak · toff · fS
方程式 24. Ivalley =IL_DC- 0.5 · Iripple (inductor current valley value);
方程式 25. Ipeak =IL_DC+ 0.5 · Iripple (inductor current peak value);
- ton 是 MOSFET 開通時間,即 VDS 從 VIN 到幾乎為零的下降時間(MOSFET 開啟導通電壓);
- toff 是 MOSFET 關斷時間,即 IDS 從 Ipeak 到零的下降時間;
MOSFET 導通時間和關斷時間的計算公式如下:
方程式 26. 
其中 Qsw 是開關電荷,Ion 是導通柵極驅動電流,Ioff 是關斷柵極驅動電流。如果 MOSFET 數據表中未給出開關電荷,則可通過柵漏電荷 (QGD) 和柵源電荷 (QGS) 來估算開關電荷:
方程式 27. Qsw =QGD+QGS
可通過柵極驅動器的 REGN 電壓 (VREGN)、MOSFET 平坦電壓 (Vplt)、總導通柵極電阻 (Ron) 和關斷柵極電阻 (Roff) 來估算柵極驅動電流:
方程式 28. 
計算頂部 MOSFET 寄生輸出電容損耗 (PQoss_top):
方程式 29. PQoss_top =0.5 · VIN· Qoss · fS
- Qoss 是 MOSFET 寄生輸出電荷,可以在 MOSFET 數據表中找到。建議限制總開關節點電容 CSW (nF) < 160/VIN;例如,對于 36V 應用,建議保持總 CSW < 4.44nF
計算頂部 MOSFET 柵極驅動損耗 (PGate_top):
方程式 30. PGate_top =VIN· QGate_top · fS
- QGate_top 是頂部 MOSFET 柵極電荷,可在 MOSFET 數據表中找到;
- 請注意,此處使用 VIN 而不是實際柵極驅動電壓,因為柵極驅動是基于 LDO 通過 VIN 生成的,當使用 VIN 進行柵極驅動損耗計算時,所有與柵極驅動相關的損耗都被考慮在內。
- 或者,柵極驅動電壓可以由外部高效電源直接提供到 DRV_SUP 引腳。在這種情況下,驅動柵極的功率損耗變為:PGate_top = VDRV_SUP· QGate_top · fS
底部 MOSFET 損耗還包括導通損耗和開關損耗:
方程式 31. Pbottom =Pcon_bottom+Psw_bottom
方程式 32. Pcon_bottom =(1 - D) · IL_RMS2 · RDS(on)_bottom;
方程式 33. Psw_bottom =PRR_bottom+PDead_bottom+PGate_bottom;
第一項 Pcon_bottom 表示直接的導通損耗。第二項 Psw_bottom 表示底部 MOSFET 中的多個開關損耗項,包括反向恢復損耗 (PRR_bottom)、死區時間體二極管導通損耗 (PDead_bottom) 和柵極驅動損耗 (PGate_bottom)。下面提供了詳細計算:
方程式 34. PRR_bottom=VIN · Qrr · fS
- Qrr 是底部 MOSFET 反向恢復電荷,可在 MOSFET 數據表中找到;
方程式 35. PDead_bottom=VF · Ivalley · fS · tdead_rise+VF · Ipeak · fS · tdead_fall
- VF 是體二極管正向導通壓降;
- tdead_rise 是頂部和底部 MOSFET 之間的 SW 上升沿死區時間,約為 45ns;
- tdead_fall 是頂部和底部 MOSFET 之間的 SW 下降沿死區時間,約為 45ns;
PGate_bottom 可以遵循與頂部 MOSFET 柵極驅動損耗計算方法相同的方法。