嵌入式設(shè)計技術(shù)在選擇電源FET中的應(yīng)用
最新的嵌入式設(shè)計為各行各業(yè)及各種應(yīng)用提供了大量復(fù)雜的新產(chǎn)品和新服務(wù)。由于精簡成本的限制及提高性能的預(yù)期，嵌入式設(shè)計正在為各種包括家電、工具、建筑、服裝及我們周圍幾乎所有物品在內(nèi)的日常應(yīng)用提供更小、更經(jīng)濟的解決方案。
這些嵌入式設(shè)計通常由一個微控制器和各種二級接口構(gòu)成，如電源。能夠放心且迅速簡便地選擇電源的元器件對提供可靠的更小、更經(jīng)濟的解決方案至關(guān)重要。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用直觀的測試測量工具，快速獲得優(yōu)化結(jié)果。本文重點介紹了電源分析的實際應(yīng)用，采用特定測量技術(shù)更加高效地選擇和確定相應(yīng)的元器件。
電源分析
在本例中，我們要為開關(guān)電源選擇最好的電源FET。晶體管的總功率損耗主要是開關(guān)損耗，但開關(guān)損耗計算起來要困難得多。我們可以根據(jù)FET的電流和開點電阻，相對簡便地計算開關(guān)電源的靜態(tài)損耗。
因為成本和功率損耗是一對矛盾，而我們的目標(biāo)是選擇成本最低的部件，其總功耗不超過0.5 W。在這里，我們預(yù)先確定要測試的四個晶體管。
圖1是標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電源的方框圖。我們使用差分探頭測量流經(jīng)晶體管的電壓，并使用電流探頭測量流經(jīng)晶體管的電流。接下來，我們將考察使用這一測試設(shè)備測得的開關(guān)損耗。
圖1 電源電路和測試設(shè)置方框圖 |
圖2顯示的是開關(guān)晶體管通道1的電壓(黃色軌跡)和通道4的電流(綠色軌跡)，可以用來計算功率損耗。注意，平滑電感器要足夠大，以便電流在晶體管打開期間不會上升得太高。此處簡化了晶體管中的功率損耗計算過程，因為電流在打開期間上升大約不到10%，因此我們可以使用平均電流進行計算。靜態(tài)功率損耗是平方后的電流乘以電阻，然后再乘以占空比 (I2R×占空比)。每個元器件在2A處的靜態(tài)功率損耗已經(jīng)被計算出并列在表1中。
圖2 工作電壓和電流波形 |
圖3是測得的額定電流最低的晶體管(NMD9700)的開關(guān)功率損耗。我們使用泰克DPOPWR分析軟件，設(shè)置成在通道1上使用差分電壓探頭測量流經(jīng)晶體管的電壓(黃色軌跡)，在通道4上使用電流探頭測量電流(綠色軌跡)。它顯示了打開和關(guān)閉過程中的開關(guān)損耗，我們將使用總平均損耗值，因為這是兩個開關(guān)損耗的綜合結(jié)果。要注意，功率損耗主要取決于關(guān)閉過程。1.53W的總損耗(0.54W靜態(tài)損耗+0.99W開關(guān)損耗)明顯高于我們的目標(biāo)（<0.5W）?？磥?，成本最低的FET($ 0.88)不能滿足我們的需求。很明顯，即使是該晶體管的靜態(tài)損耗，仍然要高于我們的目標(biāo)損耗。
圖3 第一個晶體管(NMD9700)的波形和 |
下一個晶體管(NMD9720)的額定電流較高，成本也略高。如圖4所示，平均開關(guān)損耗較低，但其打開損耗要高于第一個晶體管。靜態(tài)損耗和開關(guān)損耗較低，但總損耗0.54W (0.19W靜態(tài)損耗+ 0.35W 開關(guān)損耗)仍要高于我們的目標(biāo)（<0.5W）。成本第二低的部件($ 0.97)似乎更接近我們的功率損耗目標(biāo)，但由于封裝限制，在環(huán)境溫度高時，我們不能在沒有過熱風(fēng)險的情況下處理高于我們目標(biāo)的功率損耗。
圖4 第二個晶體管(NMD9720)的波形和測量結(jié)果 |
[!--empirenews.page--]圖5是第三個晶體管(NMD9740)，其平均功率損耗較低，但成本較高。其總損耗為0.41W (0.08W靜態(tài)損耗+0.33W 開關(guān)損耗)，低于我們的目標(biāo)，因此這一產(chǎn)品不會過熱。產(chǎn)品成本為$1.83，要遠遠高于以前的選項，但產(chǎn)品封裝限制不允許使用損耗較低的設(shè)備?？瓷先ミ@似乎是最好的選擇，但我們要看一下第四個部件（其靜態(tài)損耗要更低）來確認(rèn)這一選擇是否正確。
圖5 第三個晶體管(NMD9740)的波形和測量結(jié)果 |
如圖6所示，第四個、也就是成本最高的晶體管(NMD9760)平均功率損耗較高，因為這是一個非常大的設(shè)備?？倱p耗為0.55W (0.03W靜態(tài)損耗 + 0.52W 開關(guān)損耗)，高于第三個設(shè)備，同時也高于我們的目標(biāo)< 0.5W。因此，我們可以看到，如果晶體管太大，那么開關(guān)損耗實際上會上升，產(chǎn)品要比成本較低的第三個晶體管熱。由于總功率損耗及成本，第四個晶體管并不是可行的選擇。
圖6 第四個晶體管(NMD9760)的波形和測量結(jié)果 |
迅速簡便地測量電源晶體管中開關(guān)損耗的能力，使我們可以放心可靠地選擇電源的關(guān)鍵元器件。在本例中，第三個選項(NMD9740)提供了最低的總功率損耗，滿足了我們的總損耗目標(biāo)，因此熱縮器可以保持很小的體積，產(chǎn)品不會過熱。
電源測量和分析軟件為這類應(yīng)用及許多其它應(yīng)用提供了多種電源測量功能。如果晶體管的rDS(ON)未知或需要確認(rèn)，也可以使用我們在開關(guān)損耗測量中使用的相同的測試設(shè)置進行這一測量。還可以使用圖7所示的選擇菜單來測量電源的工作狀況，如頻率、占空比和其它參數(shù)。此外，可以檢定電感器或變壓器的電感、磁性損耗和其它指標(biāo)。
圖7 電源系統(tǒng)設(shè)備測量的選擇屏幕測量結(jié)果 |
在設(shè)計電源時，結(jié)合使用電源測量和分析軟件可以節(jié)約時間，與不使用這些強大的工具相比，提供的結(jié)果要更準(zhǔn)確。由于熱量是電子系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，因此進行這一測量及類似測量尤其關(guān)鍵。如我們在第四個晶體管看到的那樣，體積過大的元器件實際上會浪費熱量和成本。
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