Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 31) – Scelta del giusto rapporto di resistenza dei MOSFET con buck sincrono

In questo Power Tip verrà esaminato uno studio sul trade-off della dissipazione della potenza di conduzione in uno stadio di potenza del buck sincrono in funzione del fattore di servizio e del rapporto tra le resistenze del FET.

I risultati di tale analisi rappresentano un punto di partenza utile per la selezione dei FET. Generalmente, come parte del processo di progettazione, viene fornito un insieme di specifiche che include una gamma di tensioni di ingresso e la tensione di uscita desiderata e viene chiesto di selezionare i FET.

Nel caso di progettisti di circuiti integrati, è possibile che venga rilasciato un budget comprendente il costo dei FET o la dimensione del package. Entrambi i dati consentono di selezionare l’intera area della piastrina (“die area”) MOSFET. Inoltre, tali dati possono essere utilizzati per ottimizzare le rispettive aree del FET in materia di efficienza.

Fig 1 – La perdita di conduzione è una funzione tra i rapporti di resistenza dei FET e il fattore di servizio

A un primo ordine, la resistenza di un FET è inversamente proporzionale alla sua area. Pertanto, se vi è un’intera area allocata per i FET e viene ingrandito l’high side (per ridurne la resistenza), l’area per il low side viene ridotta con un conseguente aumento della resistenza.

In secondo luogo, la percentuale di tempo della conduzione dei FET high side e low side è relazionata al rapporto di conversione V_OUT/V_IN che a un primo ordine è pari al fattore di servizio (D, “duty factor”) dell’high side. Il FET high side conduce per una percentuale di tempo D, mentre il FET low side per la percentuale di tempo restante (1-D).

In figura 1 viene presentata una perdita di conduzione normalizzata come funzione tra la percentuale dell’area FET dedicata al FET high side (asse X) e il fattore di conversione (curve). Grazie ad alcuni rapporti di conversione, vi è un’ottima allocazione tra high e low side dell’area della piastrina, in cui si verifica una perdita di conduzione totale minima. In caso di rapporti di conversione ridotti, utilizzare un FET high side di dimensioni ridotte.Al contrario, in caso di rapporti elevati, utilizzare più FET nella parte superiore.

Le allocazioni si rivelano critiche se in un circuito ottimizzato per un rapporto di conversione da 12 a 1,2 volt (fattore di servizio pari al 10%) si verifica un aumento del 30% delle perdite di conduzione in corrispondenza di un aumento della tensione di uscita pari a 3,6 volt e perdite ulteriori fino all’80% se la tensione di uscita viene aumentata a 6 volt.

Infine, è utile sottolineare che ogni curva passa per lo stesso punto in corrispondenza dell’allocazione dell’area high side pari al 50%. Ciò avviene perché in quel punto le due resistenze del FET sono uguali. 

Dalla figura 1 si evince che il peggiore dei casi di perdita di conduzione ottimizzata si verifica quando il rapporto di conversione è pari al 50%. Tuttavia, esiste la possibilità di ridurre le perdite al di sotto di questo livello a diversi rapporti di conversione.

Fig. 2 – È presente un’ottimo rapporto tra aree basato sul rapporto di conversione (Nota: i rapporti di resistenza sono l’inverso dei rapporti tra le aree)

In Appendice 1 vengono descritti i calcoli matematici per tale ottimizzazione, mentre in figura 2 vengono illustrati i risultati. Inoltre, anche in caso di rapporti di conversione estremamente bassi, è necessario dedicare una considerevole parte dell’area della piastrina del FET al FET high side. Ciò vale anche in caso di rapporti di conversione elevati: è necessario dedicare una parte consistente dell’area al FET low side.

Questi risultati sono delle osservazioni di prim’ordine al problema e non comprendono fattori quali una resistenza specifica diversa tra il FET high side e il FET low side, le implicazioni derivanti da velocità di commutazione o costi e resistenze associati al packaging dell’area della piastrina. Tuttavia, ciò rappresenta un valido inizio per stabilire i rapporti di resistenza tra i FET, al fine di operare una scelta migliore nella selezione dei FET.

Nel prossimo incontro discuteremo di come stabilire i requisiti di un’induttanza di dispersione per un induttore accoppiato utilizzato in SEPIC.

Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: www.ti.com/power-ca

Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com

Appendice: dalla figura 2

Alcune definizioni

Fattore di servizio: 

Resistenza specifica MOSFET (Ohm*area): ρ

Area totale: A

Area del FET high side: α

Resistenza del FET high side: 

Resistenza del FET low side: 

Resistenza effettiva del FET: 

Risoluzione della perdita di conduzione totale (valore utilizzato per la Fig. 1): 

Calcolo della derivata rispetto ad α: 

Definizione dell’high side sull’area totale del FET come   (reciproco dei rapporti di resistenza).  Impostazione dell’equazione precedente uguale a zero e sostituzione.

Dopo alcune pagine di calcoli: 

I risultati sono disponibili in figura 2.

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