降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種將較高直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低直流輸出電壓的電源轉(zhuǎn)換電路。其基本工作原理是通過(guò)控制 MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)斷，周期性地將輸入電壓施加到電感上。在 MOSFET 導(dǎo)通期間，電感存儲(chǔ)能量，電流逐漸上升;當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量，維持電流繼續(xù)流向負(fù)載，通過(guò)這種電感的儲(chǔ)能和釋能過(guò)程實(shí)現(xiàn)降壓功能。輸出電壓的大小由 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間(占空比)決定，占空比越小，輸出電壓越低。例如，一個(gè)輸入電壓為 12V 的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，若要得到 5V 的輸出電壓，需合理調(diào)節(jié)占空比來(lái)達(dá)成。這種工作模式使得降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在眾多電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，如手機(jī)充電器、筆記本電腦電源適配器等，為不同電壓需求的電路模塊提供適配的電源。

MOSFET 在降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的角色與分類(lèi)

在降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，MOSFET 主要充當(dāng)開(kāi)關(guān)元件，其快速的導(dǎo)通和關(guān)斷特性能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換。通常，會(huì)使用兩個(gè) MOSFET，分別為高側(cè)(上管)MOSFET 和低側(cè)(下管)MOSFET 。高側(cè) MOSFET 負(fù)責(zé)在導(dǎo)通時(shí)將輸入電壓連接到電感，低側(cè) MOSFET 則在高側(cè) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，為電感電流提供回流路徑，確保電流的連續(xù)性。這兩個(gè) MOSFET 的協(xié)同工作，就像電路中的 “開(kāi)關(guān)衛(wèi)士”，精準(zhǔn)控制著電能的傳輸與轉(zhuǎn)換節(jié)奏。以同步整流降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器為例，高側(cè)和低側(cè) MOSFET 都采用 N 溝道功率 MOSFET，它們能很好地滿足轉(zhuǎn)換器在輸入電壓、開(kāi)關(guān)頻率、輸出電流及減少損耗等方面的嚴(yán)格要求。

MOSFET 選擇的關(guān)鍵參數(shù)考量

耐壓值(VDS)：MOSFET 的耐壓值必須大于轉(zhuǎn)換器可能承受的最大輸入電壓，即 VDS > Vin (max) 。這是保障 MOSFET 在電路中安全工作的基本前提。如果 MOSFET 的耐壓值不足，當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)瞬間尖峰或者異常升高時(shí)，MOSFET 可能會(huì)被擊穿損壞，導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)換器失效。比如在一個(gè)輸入電壓范圍為 9V - 18V 的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，所選 MOSFET 的耐壓值至少要大于 18V，考慮到一定的裕量，通常會(huì)選擇耐壓值在 20V 及以上的 MOSFET 。

漏極電流(ID)：MOSFET 的漏極電流要能夠滿足轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流需求，即 ID ≥ Iout (max) 。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出大電流時(shí)，如果 MOSFET 的漏極電流額定值不夠，MOSFET 會(huì)因過(guò)載而發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀。在設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電流可達(dá) 5A 的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)選擇漏極電流額定值至少為 5A 的 MOSFET，為確?？煽啃?，一般會(huì)選用漏極電流額定值更高一些的器件，如 6A 或更大的 MOSFET 。

導(dǎo)通電阻(RDS (on))：導(dǎo)通電阻與 MOSFET 的傳導(dǎo)損耗密切相關(guān)，傳導(dǎo)損耗與電流的平方(I2)、RDS (on) 及占空比成正比。為降低傳導(dǎo)損耗，應(yīng)盡量選擇 RDS (on) 小的 MOSFET。目前市場(chǎng)上一些先進(jìn)工藝制造的 MOSFET，在柵源電壓 VGS = 10V 時(shí)，RDS (on) 可低至 2 - 3mΩ 。在大電流輸出的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，低導(dǎo)通電阻的 MOSFET 能夠顯著減少功率損耗，提高轉(zhuǎn)換器的效率。例如，在一個(gè)輸出電流為 10A 的電路中，使用 RDS (on) 為 5mΩ 的 MOSFET 與使用 RDS (on) 為 10mΩ 的 MOSFET 相比，前者的傳導(dǎo)損耗會(huì)大幅降低，從而提升整個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率。

輸入電容(Ciss)和反饋電容(Crss)：輸入電容 Ciss 和反饋電容 Crss 與 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗相關(guān)。開(kāi)關(guān)損耗在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通及關(guān)斷瞬間，由于對(duì) MOSFET 的極間電容進(jìn)行充放電而產(chǎn)生，此損耗與 Ciss 或 Crss、柵極驅(qū)動(dòng)電壓 VGS 及開(kāi)關(guān)頻率 fsw 成比例。要減小開(kāi)關(guān)損耗，需選擇 Ciss 或 Crss 小的 MOSFET 。在高開(kāi)關(guān)頻率的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，這一點(diǎn)尤為重要。比如在開(kāi)關(guān)頻率為 500kHz 的電路中，選擇 Ciss 和 Crss 較小的 MOSFET 可以有效降低開(kāi)關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換器的整體性能。一些 MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可能未直接給出 Ciss 和 Crss 參數(shù)，但會(huì)提供總柵極電容 Qg 值，由于 Qg 小的 MOSFET，其 Ciss 或 Crss 也小，所以可先找出 Qg 小的 MOSFET 型號(hào)，再進(jìn)一步查找 Ciss 和 Crss 值 。

閾值電壓(VGS (th))：較低的閾值電壓 VGS (th) 有助于降低柵極驅(qū)動(dòng)損耗，因?yàn)樵谙嗤尿?qū)動(dòng)條件下，更低的閾值電壓意味著更容易使 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷，減少了驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的能量消耗。在對(duì)功耗要求苛刻的應(yīng)用中，選擇閾值電壓低的 MOSFET 能夠提升轉(zhuǎn)換器的能效。例如在一些便攜式電子設(shè)備的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，采用低閾值電壓的 MOSFET 可以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

損耗分析與 MOSFET 選擇策略

傳導(dǎo)損耗：如前文所述，傳導(dǎo)損耗主要由 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 RDS (on) 引起。對(duì)于高側(cè)和低側(cè) MOSFET，由于它們?cè)诓煌瑫r(shí)段導(dǎo)通，且電流大小和占空比不同，傳導(dǎo)損耗的計(jì)算方式也有所差異。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)電路的具體參數(shù)，如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率以及占空比等，精確計(jì)算傳導(dǎo)損耗。對(duì)于低側(cè) MOSFET，因其導(dǎo)通時(shí)電流相對(duì)較大且導(dǎo)通時(shí)間占比較高(尤其是在高占空比應(yīng)用中)，選擇低 RDS (on) 的器件對(duì)降低傳導(dǎo)損耗效果顯著。例如，在一個(gè)輸出電流為 3A，占空比為 0.6 的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，若低側(cè) MOSFET 的 RDS (on) 從 10mΩ 降低到 5mΩ，傳導(dǎo)損耗將大幅下降，從而提高轉(zhuǎn)換器的效率。

開(kāi)關(guān)損耗：開(kāi)關(guān)損耗主要受 MOSFET 的輸入電容 Ciss、反饋電容 Crss、柵極驅(qū)動(dòng)電壓 VGS 以及開(kāi)關(guān)頻率 fsw 影響。在高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)損耗可能成為主要的損耗來(lái)源。為降低開(kāi)關(guān)損耗，一方面要選擇 Ciss 和 Crss 小的 MOSFET，另一方面可適當(dāng)降低開(kāi)關(guān)頻率，但降低開(kāi)關(guān)頻率可能會(huì)導(dǎo)致電感等元件體積增大。例如，在一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為 1MHz 的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，如果將原來(lái) Ciss 較大的 MOSFET 更換為 Ciss 較小的同類(lèi)型號(hào)，開(kāi)關(guān)損耗將明顯降低，不過(guò)需要注意的是，更換器件后可能需要重新評(píng)估電路的穩(wěn)定性以及其他參數(shù)的變化。

綜合損耗與選擇策略：在實(shí)際選擇 MOSFET 時(shí)，需要綜合考慮傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)于低占空比設(shè)計(jì)，高側(cè) MOSFET 大多時(shí)候處于關(guān)斷狀態(tài)，DC 損耗較低，但高電壓帶來(lái)較高的 AC 損耗，此時(shí)可選擇低柵極電荷(即 Ciss 和 Crss 小)的 MOSFET，即使其導(dǎo)通電阻相對(duì)較高;低側(cè) MOSFET 大多數(shù)時(shí)候處于導(dǎo)通狀態(tài)，AC 損耗最小，因此應(yīng)選擇低導(dǎo)通電阻的 MOSFET 。對(duì)于高占空比設(shè)計(jì)，高側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，DC 損耗較高，要求低導(dǎo)通電阻，同時(shí)也需要適當(dāng)考慮低柵極電荷以平衡 AC 損耗;低側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間短，AC 損耗較低，可根據(jù)價(jià)格或體積等因素選擇合適的 MOSFET 。例如，在一個(gè)輸入電壓范圍較寬的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)輸入電壓較高時(shí)(低占空比情況)，選擇低柵極電荷的高側(cè) MOSFET 和低導(dǎo)通電阻的低側(cè) MOSFET;當(dāng)輸入電壓較低時(shí)(高占空比情況)，則更側(cè)重于選擇低導(dǎo)通電阻的高側(cè) MOSFET，而低側(cè) MOSFET 可在滿足基本性能的前提下，考慮成本或體積因素進(jìn)行選擇。

其他影響 MOSFET 選擇的因素

封裝形式：MOSFET 的封裝形式多種多樣，如 SO - 8、DPAK、D2PAK 等貼片式封裝。不同的封裝形式在散熱性能、占用空間以及電氣性能等方面存在差異。在空間有限的應(yīng)用中，貼片式封裝且尺寸較小的 MOSFET 更具優(yōu)勢(shì)，如在手機(jī)等便攜式設(shè)備的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，常采用 SO - 8 封裝的 MOSFET 。而對(duì)于功率較大、散熱要求較高的應(yīng)用，可選擇散熱性能較好的封裝形式，如 D2PAK 封裝，它能夠更好地將 MOSFET 產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，確保器件在正常溫度范圍內(nèi)工作。

成本因素：在滿足電路性能要求的前提下，成本是一個(gè)不可忽視的因素。不同型號(hào)、參數(shù)和品牌的 MOSFET 價(jià)格差異較大。在大規(guī)模生產(chǎn)的電子產(chǎn)品中，合理控制 MOSFET 的成本能夠有效降低整體生產(chǎn)成本。例如，在一些對(duì)成本敏感的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，在保證性能的基礎(chǔ)上，會(huì)優(yōu)先選擇價(jià)格相對(duì)較低的 MOSFET 。但需要注意的是，不能僅僅為了降低成本而犧牲 MOSFET 的關(guān)鍵性能指標(biāo)，否則可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降、可靠性降低等問(wèn)題。

可靠性與穩(wěn)定性：選擇具有良好可靠性和穩(wěn)定性的 MOSFET 品牌和型號(hào)至關(guān)重要。一些知名品牌的 MOSFET 在生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制等方面更為嚴(yán)格，產(chǎn)品的一致性和可靠性更高。在工業(yè)控制、汽車(chē)電子等對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域，必須選擇經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試和驗(yàn)證、可靠性有保障的 MOSFET 。例如，在汽車(chē)的車(chē)載電源系統(tǒng)中，降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器所使用的 MOSFET 需要能夠承受高溫、高濕度以及復(fù)雜電磁環(huán)境等惡劣條件，此時(shí)應(yīng)選用專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)、可靠性高的 MOSFET 產(chǎn)品，以確保汽車(chē)電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)

在降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，MOSFET 的選擇需要綜合考量多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)、損耗因素以及其他實(shí)際應(yīng)用需求。通過(guò)深入理解 MOSFET 的工作特性和不同參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換器性能的影響，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，如輸入電壓范圍、輸出電流要求、開(kāi)關(guān)頻率、成本限制以及可靠性要求等，能夠精準(zhǔn)地選擇合適的 MOSFET，從而設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的降壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，滿足各種電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的電源需求。