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Wie Sie den richtigen MOSFET auswählen (Teil 4) – Hilfsmittel

| Autor / Redakteur: Brett Barr / Kristin Rinortner

(Bild: N-Kanal.MOSFET / Markus A. Hennig / CC BY-SA 3.0)

Die Leistungsfähigkeit einer Stromversorgungs-Schaltung auf der Basis von Datenblattangaben vorherzusagen, ist ein mühsamer Prozess. Ich stelle Ihnen ein nützliches Hilfsmittel vor, das die Auswahl von MOSFETs für synchrone Abwärtswandler recht einfach gestaltet.

In meinem letzten Blogbeitrag habe ich beschrieben, wie schwierig es sein kann, den am besten geeigneten MOSFET für eine Schaltnetzteil-Anwendung zu finden. Um einen Eindruck davon zu bekommen, wie aufwändig dies wirklich ist, empfehle ich die Lektüre des englischen Anwendungshinweises Power Loss Calculation With Common Source Inductance Consideration for Synchronous Buck Converters.

Darin sind die Auswirkungen parasitärer Effekte erster und zweiter Ordnung auf die Verluste für synchrone Abwärtswandler detailliert aufgeführt.

Texas Instruments wartet mit einem Online-Tool auf der Basis von Webench auf, das Ihnen beim Abwägen der Kosten- und Performance-Aspekte für verschiedene MOSFETs hilft. Das Tool zieht die Gleichungen aus der oben erwähnten Applikationsschrift heran. Es rechnet allerdings nur für eine Topologie, nämlich für synchrone Abwärtswandler. Synchrone Abwärtswandler sind die bei weitem populärste Topologie nicht-isolierter Gleichspannungswandler mit diskreten MOSFETs. Dadurch wird dennoch eine breite Palette von Stromversorgungs-Anwendungen abgedeckt.

Funktion des Webench-Tools zur MOSFET-Auswahl

Zur grundsätzlichen Funktionsweise des Tools: Der Benutzer trifft zunächst eine Auswahl aus einer Liste mit Controllern oder baut einen eigenen Controller, wofür er seine individuellen Parameter eingibt (Bild 1). Anschließend werden die verschiedenen Einsatzbedingungen angegeben (Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Schaltfrequenz, wenn der Controller diese Option bietet). Das war auch schon alles! Sämtliche übrigen Berechnungen erledigt das Tool für Sie.

Nach einem Klick auf den Knopf „Submit“ ermittelt das Tool die minimale FET-Durchbruchspannung für die gegebene Eingangsspannung und ordnet anschließend alle in Frage kommenden MOSFETs von TI nach ihren Verlusten (Bild 2). Je geringer die Verlustleistung ist, umso weiter oben erscheint der Baustein in der Liste.

Bei den aufgeführten Lösungen handelt es sich sowohl um diskrete Bauelemente als auch um Power-Block-Lösungen, also in ein gemeinsames Gehäuse integrierte Halbbrücken. Was könnte für einen Power-Block sprechen? Neben dem geringeren Platzbedarf und der höheren Leistungsdichte bietet die Stacked-Die-Technik der Power-Blocks ein optimiertes thermisches Layout und deutlich niedrigere parasitäre Source-Induktivitäten als zwei diskrete MOSFETs.

Der oben genannten Applikationsschrift kann man entnehmen, dass die parasitäre Source-Induktivität insbesondere bei höheren Schaltfrequenzen erhebliche Auswirkungen auf die gesamten Schaltverluste des Systems haben kann. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass das Tool NexFET zur Auswahl von Leistungs-MOSFETs so intelligent ist, dass es beim Berechnen der Verluste die sekundären Effekte der Common-Source-Induktivität (LCSI) berücksichtigt, denn dadurch lassen sich einige der messbaren Vorteile eines Power-Blocks effektiv demonstrieren.

Wie sollten Sie das Tool einsetzen?

Ich möchte nun noch einige Dinge dazu anmerken, wie das Tool eingesetzt werden sollte und wie nicht. Am effektivsten lässt es sich für den Vergleich von Verlustleistung und Preis (und möglicherweise der Größe) nutzen. Es ermöglicht Ihnen eine schnelle erste Gegenüberstellung, mit der Sie die beste Wahl treffen können.

Als Beispiel sollen wieder Bild 1 und Bild 2 dienen. Auf den ersten Blick würde man vielleicht den Power-Block CSD86330Q3D wählen, weil er die effizienteste aller Lösungen ist (bezogen auf die Verlustleistung). Betrachtet man jedoch den CSD87331Q3D eine Zeile weiter unten, stellt man fest, dass dieser zwar 4 % mehr Gesamtverluste verursacht, dafür aber um 34 % billiger ist (bei Abnahme von 1.000 Stück).

Abgesehen davon bietet der CSD87331Q3D eine Durchbruchspannung (BVDSS) von 30 V, was bezogen auf die Eingangsspannung von 18 V mehr Spielraum bietet als die 25 V des CSD86330Q3D. Möglicherweise ist es einem Entwickler gleichgültig, dass das SON3x3-Gehäuse kleiner ist.

Unter Umständen beunruhigt ihn wegen der thermisch anspruchsvollen Umgebung seiner Applikation eher die Tatsache, dass rund 2 W in dem kleineren Gehäuse anfallen. In diesem Fall wird er vielleicht zum 5 x 6 mm großen CSD87352Q5D greifen. Entscheidend ist, dass das Tool dem Entwickler die Möglichkeit bietet, diese Entscheidung selbst zu treffen.

Unter keinen Umständen sollte man als Anwender davon ausgehen, dass das Tool bezüglich der auf der Leiterplatte entstehenden Verluste zu 100% korrekte Werte liefert, denn in den endgültigen Wert spielen noch weitere Faktoren (beispielsweise die Umgebungstemperatur oder das Leiterplatten-Layout) hinein, die das Tool nicht berücksichtigt.

Unsere Entwickler des Design Tools haben mehrere Verifikations-Studien durchgeführt: Die prognostizierten und die gemessenen Verluste stimmten in den meisten Fällen zu 5 bis 10% überein. Die Verluste mit absoluter Sicherheit vorherzusagen, ist aber auch nicht der Zweck dieses Tools.

Das Tool entfernt Bauelemente aus seiner Empfehlungsliste nur aufgrund der Durchbruchspannung. Somit bietet es jede Menge Freiraum für das Design auch einer höchst unpraktikablen Lösung, sofern der Benutzer dies wünscht.

Zum Beispiel können Sie bei einer Schaltfrequenz von 10 MHz eine Verlustleistung von 10 W in einem MOSFET mit SON5x6-Gehäuse wählen. Man kann nur hoffen, dass in der Praxis die Leiterplatte nicht durchbrennt. Das Tool ist somit zwar eine große Hilfe, wenn es um das Vorhersagen der Verluste von verschiedenen Lösungen geht, aber trotz allem wird beim Benutzer eine gewisse Erfahrung vorausgesetzt, damit ein vernünftiges Schaltungskonzept entstehen kann.

Ich hoffe, dass Sie die Gelegenheit zum Ausprobieren dieses Tools haben, wenn Sie das nächste Mal einen FET (oder einen Power-Block) für eine Abwärtswandler-Applikation auswählen müssen.

Finden Sie es genauso nützlich und zeitsparend wie ich? Ich freue mich auf Ihre Kommentare.

Diese englische Anleitung „MOSFET Power Loss Calculator User’s Guide“ führt Sie Schritt für Schritt durch das Tool

* Brett Barr arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Bethlehem / U.S.A.

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