散熱設計、輸入短路和反接保護 - 汽車電子降壓型BUCK變換器設計關鍵及注意事項

　　3 散熱設計

　　功率MOSFET 選擇標準中包含導通電阻 R DS （ON ） ，密勒電容C MILLER ，輸入電壓和最大電壓和最大輸出電流。CMILLER 可由MOSFET 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手則給出的柵極充電曲線近似求出。CMILLER 等于柵極電荷沿橫軸的增加，而曲線大約由VDS 的規(guī)定變化水平分割，然后由此結果與應用中施加的VDS 和柵極的充電曲線規(guī)定VDS 比值相乘。工作CCM 時高端和低端的MOSFET 占空經(jīng)由下式給出：

　　主開關管占空比：D = VOUT /VIN。

　　同步開關管占空比：V IN -VOUT /VIN 。

　　最大輸出電流條件下MOSFET 的功耗由下式給出：

　　式中：δ是R DS （ON ） 的溫度系數(shù)， R DR約為4 歐姆，是在MOSFET 密勒門限電壓條件下有效驅(qū)動電阻， V THMIN是典型的MOSFET 的最小門限電壓。

　　兩個MOSFET 均具有I2R 損耗，而高端N 溝道的公式中包含一個用于計算轉(zhuǎn)換損耗的附加項，這在高輸入電壓條件最大。當VIN《20V時采用較大的MOSFET 通常可提高大電流的效率，而當VIN》20V 時轉(zhuǎn)換損耗迅速增加。這時采用具有較高 R DS （ON ）器件和較低 C MILLER實際上可提供更高的效率。同步MOSFET 在高輸入電壓下，當高端工作于低占空比時或短路期間，同步管接近100%時間里處于導通狀態(tài)時，此時損耗最大。1+δ 項通常以一個歸一化的 R DS （ON ） 與溫度的關系曲線形式提供給MOSFET，但對于低壓MOSFET，δ =0.005/℃可被用作一個近似值。

　　肖特基二極管在兩個功率MOSFET 導通期間的死區(qū)導通，可以防止低端MOSFET 的體內(nèi)二極管導通，在死區(qū)時間儲存電荷，形成反向恢復。在高VIN 條件下會導致效率減小至少3%。由于流過的平均電流相對較小，因此采用1 或3A 的肖特基二極管是一個較好的方案。

　　較大的二極管因其具有的結電容較大故會產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)換損耗。

　　效率與芯片的最高工作溫度相關。汽車電子所用的芯片通常為I或H級，對于I級，芯片的結溫必須小于125°C，對于H級，芯片的結溫必須小于150°C。對于許多單芯片的BUCK控制器，在低的環(huán)境溫度下，結溫一般不是問題。但對于I級，環(huán)境溫度高于85°C時，必須小心仔細的進行電路的設計以保證芯片能夠充分的散熱。對于H級，環(huán)境溫度高于125°C時，必須對最大的允許工作電流進行降額設計。

　　結溫通過芯片的功率損耗乘以結到環(huán)境的熱阻Rja進行計算。滿載時芯片的溫升幾乎完全不依賴于輸入電壓，不加散熱器時，熱阻取決于PCB的設計。在單芯片底部通常有一個裸露的襯墊，因此設計PCB時必須在對應的位置也相應的制作這樣的一個大銅皮焊盤，同時這個大焊盤通過一些過孔連接到其它的地層平面，以利于散熱。

　　4 輸入短路和反接保護

　　如果電感的飽和電流足夠大，BUCK控制器短路時由于具有短路保護功能，因此不會產(chǎn)生損壞。在一些電池充電系統(tǒng)中以及用電池作備份的系統(tǒng)中，電池以及其它的一些電源通過二極管以“與”的形式一起共同連接到BUCK控制器的輸出端時，當BUCK控制器輸入端斷開時，輸出端仍有高的電壓。注意到BUCK控制器通常有一個/SHDN管腳到控制系統(tǒng)的工作與關斷，低電平有效，通常以作SS軟起動功能。一般此管腳通過一個電阻或直接連接到輸入端。當輸入端浮空時，輸出電壓通過電感，內(nèi)部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，/SHDN管腳為高電平，這樣，BUCK控制器內(nèi)部的電路通過電感從輸出電壓吸取幾個毫安的靜態(tài)的工作電流，影響電池的使用時間。當然如果/SHDN管腳為低電平，則此靜態(tài)的工作電流為0。如果輸入短路，輸出電壓通過電感，內(nèi)部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，從而導致輸出電壓也短路，這樣電池將會快速的放電。下圖就是防止電池在輸入短路狀況下反向放電的保護電路，D4也防止輸入的反接，只有在有輸入電壓里系統(tǒng)才工作。

　　圖6：防止輸入短路時輸出備份電池反向放電電路

　　結論

　　1、合適的開關頻率可以保證系統(tǒng)具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時使電感和電容的尺寸和體積最小。

　　2、實際最大的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短導通時間決定，實際最小的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短關斷時間決定。

　　3、必須抑制輸入瞬態(tài)電壓，檢查散熱設計，增加輸入短路和反接保護電路，以保證系統(tǒng)的安全工作。