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1、基于 B u c k 同步整流电路中功率 M O S F E T S 管参数的优化 华晓辉1 林维明2 1 2)福州大学电气工程与自动化学院 福州 350002 1) Email：hxh_ 2) Email：weiming 摘 要 本文是分析 BUCK 同步整流电路中开关管与整流管的损耗模型，以两支管的损耗最小为目标，并以输入电压INV=5V，输出电压OUTV =1.8V，开关频率sf=5MHZ 为例，用 MATLAB 工具对其进行优化计算，得出该条件下器件物理参数。 关键词 SR- Buck, MOSFET 损耗模型 , MATLAB 优化 1引言 MOSFET现已成为高频开关变换器、微处
2、理器与半导体存储器等先进集成电路(IC)中最主要的器件单元，它尺寸小、功耗低、并与数字电路的主流工艺兼容。近年来，使用MOSFET的模拟 IC 逐渐已成为主流，改变了以往主要使用双极型器件的局面。 GENFET MOSFET 器件就采用了 General Semiconductor公司的0.35um深槽工艺制造出了每平方英寸含 200M 单元，集成度提高了 4 倍，更加适合了移动电话机，笔记本电脑，PDA 以及其它的无线电产品的应用。因此在高功率密度集成 Buck 同步整流电路中，确定 MOSFET的损耗模型，优化电路中主开关管与同步整流管的最小损耗模型显得十分重要。 2寄生参数 随着器件尺寸
3、的不断减小，电路模拟程序中的器件模型也越来越复杂，以保证模拟结果的精确度；然而电路的模拟精确度不仅与器件模型有关，还与给定的器件模型参数有关。 功率MOSFET 的常用等效模型如图 1， 其中dsonR为导通电阻，Cgs及Cds和Cgd为 MOSFET 的寄生电容1， 它们的值是非线性的与施加在 MOSFET 上的栅 极的电压有关。为简化分析，在此的模型的优化过程 中忽略了引线电感等，并使器件工作在线形放大区。 在图 1中: CgovWCoxLWCgdCgs+=2（1） Cgs、Cgd分别是栅极与源极、栅极与漏极之间的 电容，Cgov是栅极与源极、漏极之间的重叠电容2; 图 1 MOSFET
4、常用等效电路模型 Cox=oxoxT/97. 3 是每单位面积的氧化层的电容，其中o是真空介电 常数，oxT为栅极氧化层的厚度，ox为栅极氧化层的介电常数。W 是器件沟道的宽度，L是由工艺所决定的最小长度，所谓MOSFET 沟道长度实际上是三种不同的广义描述： （1）掩膜沟道长度即设计栅长度，也就是栅掩膜的物理参杂长度，以下用drawnL(2)电学有效沟道长度effL，定义为栅电压控制的2SiSiO界面下反型自由载流子区域的长度。 （3）冶金结沟道长度metL，它表示在2SiOSi界面下源、漏两个冶金结之间的距离，它与drawnL差一个源、和漏的横向扩散量之和L。 电学有效沟道长度effL对M
5、OSFET 器件的电学性能有很大的影响，以下简称为有效沟道长度。定义为effL=drawnLL，在实际应用中必须采用effL，而不是将drawnL代入电流方程，因此必须知道L。对于L提取的方法主要有电流电压法、电容电压法以及通过数值模拟而进行的物理表征法3。 2图 2MOSFET 的沟道长度示意图 其它计算公式如下: 0.25CdsCgd=.(2) CdsCgdCoss+=.(3 ) CgdCgsCiss+=.(4 ) CissVgQg= . （5） Cds的值是由电压决定的，难以精确计算，所以取值为Cgd的 1/4；Cgd决定了 输出电容的大小。 3损耗模型分析 在此 BUCK 同步整流电路
6、中存在着多种功率损耗，然而本文主要考虑的损耗为主开关管（Sc）和续流管（Sf 同步整流管）的损耗。从 SR- BUCK 电路的工作原理可知：当开关管开通时，开关管存在着导通损耗、驱动损耗； 当开关管关断时，开关管有输出电容带来的损耗；而同步整流管在工作区间除了导通损耗、驱动损耗、开关损耗、还有体内二极管损耗问题。因此本文的损耗模型分析主要有：两支管子的导通损耗，驱动损耗，开关损耗,整流管体内二极管的导通损耗和反向恢复损耗。 3 MOSFETS 的导通损耗: 2*conductionrmsdsPScIScr Sc=.(6) 2*conductionrmsdsPSfISfr Sf=.(7) rms
7、I是通过 MOSFET 电流的均方根，rds是每个MOSFET 的导通电阻。 22(/12)rmsppIScDIoutIL=+ (8) 22(1) (/12)rmsppISfDIoutIL=+.(9) 22/12ppILIoutIL=+(10) (1)/()ppsILDVoutLf=.(11) 这里 D 是开关变换器的占空比，L 是电感，fs 是开关频率；从以上公式可以看出导通损耗，随着输出电流的变大而变大；因此导通电阻是本文优化的一个重要参数之一。在 Austria Micro Systems 公司提供的0.35um 50V CMOS Process Parameters4 5中可以得到：
8、1000/ *2umLumKohmRonmmohmRondevice= （12） 图 3导通电阻与导电沟道关系 3.2 栅极驱动损耗 由 MOSFET 的开通过程可知，存在开通损耗： sggdrivegatefVQP= .（13） gQ是栅极的充电电荷量，充电电荷量由 MOSFET的输入电容决定；导通沟道的宽度决定了输入电容；又导通沟道的宽度决定了MOSFET 的导通电阻dsonR；因此在器件模型的优化过程中存在着一个平衡；栅极 驱动电压也必须优化成为典型值。在本文的设计中栅 极电压选定在 3.3V，适合于薄氧化层的 MOSFET 器 件。特别是在小功率变换器的应用中，驱动损耗是不 可不慎重考
9、虑的一个问题。 3.3 开关损耗 由 MOSFET 的开关过程易知， MOSFET 的开关损耗是由输出电容Coss决定的，在每个周期中输出电容冲放电引发的损耗： 2()/2switchosssPCVinf=（14） 3.4 体内二极管损耗 从 Buck 同步整流的工作特性中可以看出，为了避免主开关管与同步整流管同时导通，因此留有死区时间。体内二极管引发了其它额外损耗：体内二极管到通损耗和体内二极管反向恢复损耗。 sdelaydelayOUTfrDIODEfTTIVP+=)(21. （15） frV是同步整流管体内二极管的正向导通电压，21,delaydelayTT是 MOSFET 开通的延迟时
10、间。 sinrrrrfVQP= . ( 16） rrP在这里是反向恢复损耗，rrQ是反向恢复时间的冲放电电荷量，inV是变换器的输入电压。 4MATLAB 的优化分析 4.1模型求解 本文这次设计的 BUCK 同步整流电路中,输入电压INV=5V，OUTV =1.8V，OUTi=0.5A，sf=5MHZ，gsV=3.3V， 。 可知占空比 D=0.36，L=10uH电感建立的模型目标是优化电路中主开关与整流管的损耗功率最小。 以 Sc 与 Sf 两支 PMOS50T 与 NMOS50T 组合损耗最小为目标： min lossP=ScPloss+SfPloss osslossconduction
11、gate driveswitchCPScPScPScPScPSc=+.(17) osslossconductiongate driveswitchCDIODErrPSfPSfPSfPSfPSfPP=+（18） 模型可简化为: 44 991.71*102.08*10min( )1*117.751*1012 2*85.657*100.055F xWWW W=+约束条件：11,20.5; 11,22;Lum Lum WL WL= 6610*131. 0 10*119. 0WScRWON;6610*238. 0 10*226. 0WSfRWON; 在 Buck 同步整流电路中一般采用 P- MOSFE
12、T 与N- MOSFET 或 N- MOSFES 两种组合结构；下面将队两种组合方式分别进行优化。 模型求解函数： x,fval=fminsearch(11.7751*10- 8*x(1)+8.5657*10 - 8*x(2)+1.71*104/x(1)+2.08*104/x(2),0.5*10- 6, 0.5*10- 6 ) x,fval= insearch(15.017*10- 8*(x(1)+x(2)+1.8*104/x(1)+3. 2*104/x(2),0.5*10- 6,0.5*10- 6 ) 图 4 优化流程图 5优化结果 表 1 P- N 组各参量数据和效率 PMOS50T NM
13、OS50T W(um) 3.8108*105 4.9278*105 Rdson(Ohms) 0.4482 0.2376 Cgd(pF) 239.9 225.7 conductionP(W) 0.04031 0.03789 drivegateP(W) 0.02348 0.02188 switchP(W) 0.01743 0.01578 Pdiode(W) 0.005 Prr(W) 0.05 81.4% 表 2 N- N 组各参量数据和效率 NMOSI50H NMOSI50H W(um) 3.4621*105 4.6162*105 Rdson(Ohms) 0.578 0.433 Cgd(pF) 1
14、58.564 211.467 优化参数：Rdson，Cgd，Cgs， W， L， Vgs_max,Tox开 始 确定 Rdson 范围 计算器件各种损耗 优化器件损耗 最小表达式 确定 W,Cgs,Cgd 结 束 conductionP(W) 0.052 0.069 switchP(W) 0.04 0.053 Pdiode(W) 0.012 0.016 0.005 0.05 75.2% 图 4中 MOSFET 的优化模型6 7 8所需参数可参照 AMS H35 CMOS 工艺的参数和其它模型 （如 SPICE模型）的器件参数。从表 1、2 可以看出在 Buck 同步整流电路中，采用 P- N
15、形式的 MOSFETS 组合比 N- N形式组合效率高， 并且在 Buck同步整流电路中主开关管采用 P- MOSFET 较容易驱动，但是P- N 形式组合下器件的宽度比 N- N 组合大，这就以增加器件结构的体积为代价，它们的总宽度是有上千个50um MOSFETS来完成的，如图 5 是以前的 MOSFET 结构与新型MOSFET 结构的区别。以上的两组数据 P- N 组合的是在 0.35um CMOS 工艺下的 MOS HV Thin- Oxide 的MOSFET，因此gV=3.3V；而 N- N 组合选择的参数来自与 MOS HV Middle- Oxide MOSFET, gV=5V。 图 5 新旧工艺下 MOSFET 结构的比较 6结论 本文在 Buck 同步整流电路（INV=5V，OUTV =1.8V，sf=5MH）中，用 MATLAB 工具建立功率MOSFETS 的损耗优化模型，通过几种类型的管子组合，综合考虑性价比，来确定器件沟道的尺寸参数，同时还可以通过增加氧化层的厚度来提高效率。上述过程中 MOSFETS 的体内二极管反向恢复损耗
