嵌入式设计技术在选择电源FET中的应用
引言
最新的嵌入式设计为各行各业及各种应用提供了大量复杂的新产品和新服务。由于精简成本的限制及提高性能的预期，嵌入式设计正在为各种包括家电、工具、建筑、服装及我们周围几乎所有物品在内的日常应用提供更小、更经济的解决方案。
这些嵌入式设计通常由一个微控制器和各种二级接口构成，如电源。能够放心且迅速简便地选择电源的元器件对提供可靠的更小、更经济的解决方案至关重要。为实现这一目标，需要使用直观的测试测量工具，快速获得优化结果。本文重点介绍了电源分析的实际应用，采用特定测量技术更加高效地选择和确定相应的元器件。
电源分析
在本例中，我们要为开关电源选择最好的电源FET。晶体管的总功率损耗主要是开关损耗，但开关损耗计算起来要困难得多。我们可以根据FET的电流和开点电阻，相对简便地计算开关电源的静态损耗。
因为成本和功率损耗是一对矛盾，而我们的目标是选择成本最低的部件，其总功耗不超过0.5 W。在这里，我们预先确定要测试的四个晶体管。
图1是标准开关电源的方框图。我们使用差分探头测量流经晶体管的电压，并使用电流探头测量流经晶体管的电流。接下来，我们将考察使用这一测试设备测得的开关损耗。
图1 电源电路和测试设置方框图
图2显示的是开关晶体管通道1的电压(黄色轨迹)和通道4的电流(绿色轨迹)，可以用来计算功率损耗。注意，平滑电感器要足够大，以便电流在晶体管打开期间不会上升得太高。此处简化了晶体管中的功率损耗计算过程，因为电流在打开期间上升大约不到10%，因此我们可以使用平均电流进行计算。静态功率损耗是平方后的电流乘以电阻，然后再乘以占空比 (I2R×占空比)。每个元器件在2A处的静态功率损耗已经被计算出并列在表1中。
图2 工作电压和电流波形
图3是测得的额定电流最低的晶体管(NMD9700)的开关功率损耗。我们使用泰克DPOPWR分析软件，设置成在通道1上使用差分电压探头测量流经晶体管的电压(黄色轨迹)，在通道4上使用电流探头测量电流(绿色轨迹)。它显示了打开和关闭过程中的开关损耗，我们将使用总平均损耗值，因为这是两个开关损耗的综合结果。要注意，功率损耗主要取决于关闭过程。1.53W的总损耗(0.54W静态损耗+0.99W开关损耗)明显高于我们的目标（<0.5W）。看来，成本最低的FET($ 0.88)不能满足我们的需求。很明显，即使是该晶体管的静态损耗，仍然要高于我们的目标损耗。
图3 第一个晶体管(NMD9700)的波形
下一个晶体管(NMD9720)的额定电流较高，成本也略高。如图4所示，平均开关损耗较低，但其打开损耗要高于第一个晶体管。静态损耗和开关损耗较低，但总损耗0.54W (0.19W静态损耗+ 0.35W 开关损耗)仍要高于我们的目标（<0.5W）。成本第二低的部件($ 0.97)似乎更接近我们的功率损耗目标，但由于封装限制，在环境温度高时，我们不能在没有过热风险的情况下处理高于我们目标的功率损耗。
图4 第二个晶体管(NMD9720)的波形和测量结果
图5是第三个晶体管(NMD9740)，其平均功率损耗较低，但成本较高。其总损耗为0.41W (0.08W静态损耗+0.33W 开关损耗)，低于我们的目标，因此这一产品不会过热。产品成本为$1.83，要远远高于以前的选项，但产品封装限制不允许使用损耗较低的设备。看上去这似乎是最好的选择，但我们要看一下第四个部件（其静态损耗要更低）来确认这一选择是否正确。
图5 第三个晶体管(NMD9740)的波形和测量结果
如图6所示，第四个、也就是成本最高的晶体管(NMD9760)平均功率损耗较高，因为这是一个非常大的设备。总损耗为0.55W (0.03W静态损耗 + 0.52W 开关损耗)，高于第三个设备，同时也高于我们的目标< 0.5W。因此，我们可以看到，如果晶体管太大，那么开关损耗实际上会上升，产品要比成本较低的第三个晶体管热。由于总功率损耗及成本，第四个晶体管并不是可行的选择。
图6 第四个晶体管(NMD9760)的波形和测量结果
迅速简便地测量电源晶体管中开关损耗的能力，使我们可以放心可靠地选择电源的关键元器件。在本例中，第三个选项(NMD9740)提供了最低的总功率损耗，满足了我们的总损耗目标，因此热缩器可以保持很小的体积，产品不会过热。
电源测量和分析软件为这类应用及许多其它应用提供了多种电源测量功能。如果晶体管的rDS(ON)未知或需要确认，也可以使用我们在开关损耗测量中使用的相同的测试设置进行这一测量。还可以使用图7所示的选择菜单来测量电源的工作状况，如频率、占空比和其它参数。此外，可以检定电感器或变压器的电感、磁性损耗和其它指标。
图7 电源系统设备测量的选择屏幕测量结果
在设计电源时，结合使用电源测量和分析软件可以节约时间，与不使用这些强大的工具相比，提供的结果要更准确。由于热量是电子系统发生故障的主要原因，因此进行这一测量及类似测量尤其关键。如我们在第四个晶体管看到的那样，体积过大的元器件实际上会浪费热量和成本。