降压式 DC-DC 转换器工作原理

降压式 DC-DC 转换器是一种将较高直流输入电压转换为较低直流输出电压的电源转换电路。其基本工作原理是通过控制 MOSFET 的导通与关断，周期性地将输入电压施加到电感上。在 MOSFET 导通期间，电感存储能量，电流逐渐上升;当 MOSFET 关断时，电感释放能量，维持电流继续流向负载，通过这种电感的储能和释能过程实现降压功能。输出电压的大小由 MOSFET 的导通时间(占空比)决定，占空比越小，输出电压越低。例如，一个输入电压为 12V 的降压式 DC-DC 转换器，若要得到 5V 的输出电压，需合理调节占空比来达成。这种工作模式使得降压式 DC-DC 转换器在众多电子设备中广泛应用，如手机充电器、笔记本电脑电源适配器等，为不同电压需求的电路模块提供适配的电源。

MOSFET 在降压式 DC-DC 转换器中的角色与分类

在降压式 DC-DC 转换器中，MOSFET 主要充当开关元件，其快速的导通和关断特性能够实现高效的电能转换。通常，会使用两个 MOSFET，分别为高侧(上管)MOSFET 和低侧(下管)MOSFET 。高侧 MOSFET 负责在导通时将输入电压连接到电感，低侧 MOSFET 则在高侧 MOSFET 关断时，为电感电流提供回流路径，确保电流的连续性。这两个 MOSFET 的协同工作，就像电路中的 “开关卫士”，精准控制着电能的传输与转换节奏。以同步整流降压式 DC-DC 转换器为例，高侧和低侧 MOSFET 都采用 N 沟道功率 MOSFET，它们能很好地满足转换器在输入电压、开关频率、输出电流及减少损耗等方面的严格要求。

MOSFET 选择的关键参数考量

耐压值(VDS)：MOSFET 的耐压值必须大于转换器可能承受的最大输入电压，即 VDS > Vin (max) 。这是保障 MOSFET 在电路中安全工作的基本前提。如果 MOSFET 的耐压值不足，当输入电压出现瞬间尖峰或者异常升高时，MOSFET 可能会被击穿损坏，导致整个转换器失效。比如在一个输入电压范围为 9V - 18V 的降压式 DC-DC 转换器设计中，所选 MOSFET 的耐压值至少要大于 18V，考虑到一定的裕量，通常会选择耐压值在 20V 及以上的 MOSFET 。

漏极电流(ID)：MOSFET 的漏极电流要能够满足转换器的最大输出电流需求，即 ID ≥ Iout (max) 。当转换器输出大电流时，如果 MOSFET 的漏极电流额定值不够，MOSFET 会因过载而发热严重，甚至烧毁。在设计一个输出电流可达 5A 的降压式 DC-DC 转换器时，应选择漏极电流额定值至少为 5A 的 MOSFET，为确保可靠性，一般会选用漏极电流额定值更高一些的器件，如 6A 或更大的 MOSFET 。

导通电阻(RDS (on))：导通电阻与 MOSFET 的传导损耗密切相关，传导损耗与电流的平方(I²)、RDS (on) 及占空比成正比。为降低传导损耗，应尽量选择 RDS (on) 小的 MOSFET。目前市场上一些先进工艺制造的 MOSFET，在栅源电压 VGS = 10V 时，RDS (on) 可低至 2 - 3mΩ 。在大电流输出的降压式 DC-DC 转换器中，低导通电阻的 MOSFET 能够显著减少功率损耗，提高转换器的效率。例如，在一个输出电流为 10A 的电路中，使用 RDS (on) 为 5mΩ 的 MOSFET 与使用 RDS (on) 为 10mΩ 的 MOSFET 相比，前者的传导损耗会大幅降低，从而提升整个转换器的效率。

输入电容(Ciss)和反馈电容(Crss)：输入电容 Ciss 和反馈电容 Crss 与 MOSFET 的开关损耗相关。开关损耗在开关管导通及关断瞬间，由于对 MOSFET 的极间电容进行充放电而产生，此损耗与 Ciss 或 Crss、栅极驱动电压 VGS 及开关频率 fsw 成比例。要减小开关损耗，需选择 Ciss 或 Crss 小的 MOSFET 。在高开关频率的降压式 DC-DC 转换器中，这一点尤为重要。比如在开关频率为 500kHz 的电路中，选择 Ciss 和 Crss 较小的 MOSFET 可以有效降低开关损耗，提高转换器的整体性能。一些 MOSFET 的数据手册中可能未直接给出 Ciss 和 Crss 参数，但会提供总栅极电容 Qg 值，由于 Qg 小的 MOSFET，其 Ciss 或 Crss 也小，所以可先找出 Qg 小的 MOSFET 型号，再进一步查找 Ciss 和 Crss 值 。

阈值电压(VGS (th))：较低的阈值电压 VGS (th) 有助于降低栅极驱动损耗，因为在相同的驱动条件下，更低的阈值电压意味着更容易使 MOSFET 导通和关断，减少了驱动过程中的能量消耗。在对功耗要求苛刻的应用中，选择阈值电压低的 MOSFET 能够提升转换器的能效。例如在一些便携式电子设备的降压式 DC-DC 转换器中，采用低阈值电压的 MOSFET 可以延长电池的使用时间。

损耗分析与 MOSFET 选择策略

传导损耗：如前文所述，传导损耗主要由 MOSFET 的导通电阻 RDS (on) 引起。对于高侧和低侧 MOSFET，由于它们在不同时段导通，且电流大小和占空比不同，传导损耗的计算方式也有所差异。在实际设计中，需要根据电路的具体参数，如输入电压、输出电压、输出电流、开关频率以及占空比等，精确计算传导损耗。对于低侧 MOSFET，因其导通时电流相对较大且导通时间占比较高(尤其是在高占空比应用中)，选择低 RDS (on) 的器件对降低传导损耗效果显著。例如，在一个输出电流为 3A，占空比为 0.6 的降压式 DC-DC 转换器中，若低侧 MOSFET 的 RDS (on) 从 10mΩ 降低到 5mΩ，传导损耗将大幅下降，从而提高转换器的效率。

开关损耗：开关损耗主要受 MOSFET 的输入电容 Ciss、反馈电容 Crss、栅极驱动电压 VGS 以及开关频率 fsw 影响。在高开关频率应用中，开关损耗可能成为主要的损耗来源。为降低开关损耗，一方面要选择 Ciss 和 Crss 小的 MOSFET，另一方面可适当降低开关频率，但降低开关频率可能会导致电感等元件体积增大。例如，在一个开关频率为 1MHz 的降压式 DC-DC 转换器中，如果将原来 Ciss 较大的 MOSFET 更换为 Ciss 较小的同类型号，开关损耗将明显降低，不过需要注意的是，更换器件后可能需要重新评估电路的稳定性以及其他参数的变化。

综合损耗与选择策略：在实际选择 MOSFET 时，需要综合考虑传导损耗和开关损耗。对于低占空比设计，高侧 MOSFET 大多时候处于关断状态，DC 损耗较低，但高电压带来较高的 AC 损耗，此时可选择低栅极电荷(即 Ciss 和 Crss 小)的 MOSFET，即使其导通电阻相对较高;低侧 MOSFET 大多数时候处于导通状态，AC 损耗最小，因此应选择低导通电阻的 MOSFET 。对于高占空比设计，高侧 MOSFET 导通时间长，DC 损耗较高，要求低导通电阻，同时也需要适当考虑低栅极电荷以平衡 AC 损耗;低侧 MOSFET 导通时间短，AC 损耗较低，可根据价格或体积等因素选择合适的 MOSFET 。例如，在一个输入电压范围较宽的降压式 DC-DC 转换器中，当输入电压较高时(低占空比情况)，选择低栅极电荷的高侧 MOSFET 和低导通电阻的低侧 MOSFET;当输入电压较低时(高占空比情况)，则更侧重于选择低导通电阻的高侧 MOSFET，而低侧 MOSFET 可在满足基本性能的前提下，考虑成本或体积因素进行选择。

其他影响 MOSFET 选择的因素

封装形式：MOSFET 的封装形式多种多样，如 SO - 8、DPAK、D2PAK 等贴片式封装。不同的封装形式在散热性能、占用空间以及电气性能等方面存在差异。在空间有限的应用中，贴片式封装且尺寸较小的 MOSFET 更具优势，如在手机等便携式设备的降压式 DC-DC 转换器中，常采用 SO - 8 封装的 MOSFET 。而对于功率较大、散热要求较高的应用，可选择散热性能较好的封装形式，如 D2PAK 封装，它能够更好地将 MOSFET 产生的热量散发出去，确保器件在正常温度范围内工作。

成本因素：在满足电路性能要求的前提下，成本是一个不可忽视的因素。不同型号、参数和品牌的 MOSFET 价格差异较大。在大规模生产的电子产品中，合理控制 MOSFET 的成本能够有效降低整体生产成本。例如，在一些对成本敏感的消费类电子产品中，在保证性能的基础上，会优先选择价格相对较低的 MOSFET 。但需要注意的是，不能仅仅为了降低成本而牺牲 MOSFET 的关键性能指标，否则可能会导致产品质量下降、可靠性降低等问题。

可靠性与稳定性：选择具有良好可靠性和稳定性的 MOSFET 品牌和型号至关重要。一些知名品牌的 MOSFET 在生产工艺、质量控制等方面更为严格，产品的一致性和可靠性更高。在工业控制、汽车电子等对可靠性要求极高的应用领域，必须选择经过严格测试和验证、可靠性有保障的 MOSFET 。例如，在汽车的车载电源系统中，降压式 DC-DC 转换器所使用的 MOSFET 需要能够承受高温、高湿度以及复杂电磁环境等恶劣条件，此时应选用专门为汽车应用设计、可靠性高的 MOSFET 产品，以确保汽车电子系统的稳定运行。

结语

在降压式 DC-DC 转换器的设计过程中，MOSFET 的选择需要综合考量多个关键参数、损耗因素以及其他实际应用需求。通过深入理解 MOSFET 的工作特性和不同参数对转换器性能的影响，结合具体的应用场景，如输入电压范围、输出电流要求、开关频率、成本限制以及可靠性要求等，能够精准地选择合适的 MOSFET，从而设计出高效、稳定且经济实用的降压式 DC-DC 转换器，满足各种电子设备日益增长的电源需求。