如图1所示,用于评估的基于氮化镓器件的降压转换器的版图设计有两种变化:基于单个场效应晶体管的版本和并联两个场效应晶体管的版本,而该并联器件是同步整流器。并联版的版图基于我们在前面文章所述的E设计。
图1 用于评估并联的基于氮化镓场效应晶体管的同步整流器降压转换器的版图。
图2提供了用于对比评估的降压转换器的照片。氮化镓场效应晶体管的电路板的尺寸约为2英寸×2英寸,黄色点线代表转换器的占位区域。
图2 评估用的降压转换器的照片。左图是含MOSFET的版本,中间是含单个氮化镓场效应晶体管的版本,右图是含两个氮化镓场效应晶体管的版本。
基于MOSFET的同步降压转换器的版本使用了演示板DC1640A来进行评估。表1给出了转换器的性能的总结
表1 基于MOSFET和氮化镓场效应晶体管的12V转1.2V转接器设计的特性的总结。
表1给出的电感值,只适用于同步整流器的场效应晶体管,是唯一在双场效应晶体管版本中的并联器件。通过使用印刷电路板上特别设计的、具有低栅极驱动器电阻(低于0.5Ω)的探头,测量器件的栅极电压的振荡频率,我们就可以使用栅源电容值,从一阶谐振公式计算出栅极电感。利用两个器件源极之间的尺寸,再使用平面导体电感的公式,就可以得出器件之间的源极电感。电感的长度等于彼此最靠近的两个源极焊盘之间的距离,而导体的宽度等于导体至通孔组的宽度。厚度等于导体的厚度。
两种转换器都工作在1MHz开关频率和12V的输入电压,所选的MOSFET具可装配进演示板的物理尺寸,及与化镓场效应晶体管具有相似的栅极阈值电压。所有的转换器都采用相同的输出电感器: Wurth公司生产的250nH、370µΩ、744308025器件,以及4个并联的100µF,1206尺寸的陶瓷输出电容。
图3显示了在宽负载电流范围内,每个转换器的效率的测量结果。结果清楚地表明，基于氮化镓场效应晶体管的转换器具有比采用等效,MOSFET的转换器高很多的效率性能。与MOSFET相比,氮化镓场效应晶体管虽然具有近两倍的RDS(ON)导通电阻值，但它仍然可以改善效率。控制器内固有的体二极管的30ns传导时间将进一步降低含MOSFET的转换器的效率。
图3 12V转1.2V的降压转换器在1MHz开关频率时的效率与输出电流的关系。
图4和图5分别显示了对采用单个和两个器件的降压转换器的开关电压节点波形的测量结果。
图4 采用单个器件的12V转1.2V降压转换器的测量波形。
图5 采用双器件的12V转1.2V降压转換器的测量波形。
我们测量了每个转换器的dv/dt,结果见表2。对于采用两个氮化镓场效应晶体管的转换器来说,它的dv/dt比在前面文章讨论的抗扰度的预测值为高,这并不表示超出任何氮化镓场效应晶体管的参数。栅极在关断期间可出现一个负电压尖峰,它可以提高米勒电容比。设计师必须测量并找出波形上不希望发生的导通迹象。其中的一个迹象可以是在转换时漏极至源极的电压曲线出现一个小凸点。
表2 对每个设计样例(12V转1.2V)测量所得的dv/dt的极限值
值得注意的是,给降压转换器的同步整流开关并联场效应晶体管是一种特例。这种情况对场效应晶体管有利,与其他类型的转换器和开关相比,它对源极电感没有那么敏感。源极电感在增加到一定的电感值时,反而可能对设计有利。