開關(guān)電源 MOS管損耗

MOS管開關(guān)電源損耗

開關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和截止損耗。導(dǎo)通損耗指功率管從截止到導(dǎo)通時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導(dǎo)通到截止時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。開關(guān)損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關(guān)斷損耗(Turn-of Loss)，常常在硬開關(guān)（Hard-Switching）和軟開關(guān)（Soft-Switching）中討論。所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關(guān)管在開通時(shí)，開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管的電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，會(huì)產(chǎn)生損耗，這個(gè)損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關(guān)斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開關(guān)損耗另一個(gè)意思是指在開關(guān)電源中，對(duì)大的MOS管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，需要對(duì)寄生電容充放電，這樣也會(huì)引起損耗。

MOS設(shè)計(jì)選型的幾個(gè)基本原則

1 電壓應(yīng)力

在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿電壓的 90% 。即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS值作為參考。

2 漏極電流

其次考慮漏極電流的選擇?；驹瓌t為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標(biāo)稱最大漏源電流的 90% ；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標(biāo)稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有負(fù)溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點(diǎn)溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)格書目中之 ID 會(huì)比實(shí)際最大工作電流大數(shù)倍，這是因?yàn)樯⒑墓β始皽厣拗萍s束。在初選計(jì)算時(shí)期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。

3 驅(qū)動(dòng)要求

MOSFEF 的驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電壓選擇在保證遠(yuǎn)離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）

4 損耗及散熱

小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

5 損耗功率初算

MOSFET 損耗計(jì)算主要包含如下 8 個(gè)部分：

PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細(xì)計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時(shí)的反向恢復(fù)損耗。損耗計(jì)算可參考下文的“MOS管損耗的8個(gè)組成部分”部分。

6 耗散功率約束

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a

其中 Rθj-a 是器件結(jié)點(diǎn)到其工作環(huán)境之間的總熱阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進(jìn)去。

MOS管損耗的8個(gè)組成部分

在器件設(shè)計(jì)選擇過程中需要對(duì) MOSFET 的工作過程損耗進(jìn)行先期計(jì)算（所謂先期計(jì)算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作電路的計(jì)算值和預(yù)計(jì)波形，套用公式進(jìn)行理論上的近似計(jì)算）。

1 導(dǎo)通損耗Pon

導(dǎo)通損耗,指在 MOSFET 完全開啟后負(fù)載電流（即漏源電流） IDS(on)(t) 在導(dǎo)通電阻 RDS(on) 上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。

導(dǎo)通損耗計(jì)算：

先通過計(jì)算得到 IDS(on)(t) 函數(shù)表達(dá)式并算出其有效值 IDS(on)rms ，再通過如下電阻損耗計(jì)算式計(jì)算：

Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don

說明：

計(jì)算 IDS(on)rms 時(shí)使用的時(shí)期僅是導(dǎo)通時(shí)間 Ton ，而不是整個(gè)工作周期 Ts ； RDS(on)會(huì)隨 IDS(on)(t) 值和器件結(jié)點(diǎn)溫度不同而有所不同，此時(shí)的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預(yù)計(jì)工作條件下的 RDS(on) 值（即乘以規(guī)格書提供的一個(gè)溫度系數(shù) K ）。

2 截止損耗Poff

截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源電壓 VDS(off) 應(yīng)力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS 造成的損耗。

截止損耗計(jì)算：

先通過計(jì)算得到 MOSFET 截止時(shí)所承受的漏源電壓 VDS(off) ，在查找器件規(guī)格書提供之 IDSS ，再通過如下公式計(jì)算：

Poff=VDS(off) × IDSS ×（ 1-Don ）

說明：

IDSS 會(huì)依 VDS(off) 變化而變化，而規(guī)格書提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 條件下的參數(shù)。如計(jì)算得到的漏源電壓 VDS(off) 很大以至接近 V(BR)DSS 則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項(xiàng)。

3 開啟過程損耗

開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源電壓 VDS(off_on)(t) 與逐漸上升的負(fù)載電流（即漏源電流） IDS(off_on)(t) 交叉重疊部分造成的損耗。

開啟過程損耗計(jì)算：

開啟過程 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上圖所示。首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到開啟時(shí)刻前之 VDS(off_end) 、開啟完成后的 IDS(on_beginning) 即圖示之 Ip1 ，以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時(shí)間 Tx 。然后再通過如下公式計(jì)算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt

實(shí)際計(jì)算中主要有兩種假設(shè) — 圖 (A) 那種假設(shè)認(rèn)為 VDS(off_on)(t) 的開始下降與 ID(off_on)(t) 的逐漸上升同時(shí)發(fā)生；圖 (B) 那種假設(shè)認(rèn)為 VDS(off_on)(t) 的下降是從 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才開始。圖 (C) 是 FLYBACK 架構(gòu)路中一 MOSFET 實(shí)際測試到的波形，其更接近于 (A) 類假設(shè)。針對(duì)這兩種假設(shè)延伸出兩種計(jì)算公式：

(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs

(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs

(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計(jì)算值。

說明：

圖 (C) 的實(shí)際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 （電源使用中 Ip1 參數(shù)往往是激磁電流的 初始值）。疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計(jì)得到，其 跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關(guān)。例如 FLYBACK 中 實(shí)際電流應(yīng) 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級(jí)端整流二極管的反向恢 復(fù)電流感應(yīng)回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級(jí)側(cè)繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關(guān)開通瞬間釋放的 電流 ) 。這個(gè)難以預(yù)計(jì)的數(shù)值也是造成此部分計(jì)算誤差的 主要原因之一。

4 關(guān)斷過程損耗

關(guān)斷過程損耗。指在 MOSFET 關(guān)斷過程中 逐漸上升的漏源電壓 VDS(on_off) (t) 與逐漸 下降的漏源電流 IDS(on_off)(t) 的交叉重 疊部分造成的損耗。

關(guān)斷過程損耗計(jì)算：

如上圖所示，此部分損耗計(jì)算原理及方法跟 Poff_on 類似。 首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到關(guān)斷完成后之漏源電壓 VDS(off_beginning) 、關(guān)斷時(shí)刻前的負(fù)載電流 IDS(on_end) 即圖示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 與 IDS(on_off)(t) 重疊時(shí)間 Tx 。然后再通過 如下公式計(jì)算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt

實(shí)際計(jì)算中，針對(duì)這兩種假設(shè)延伸出兩個(gè)計(jì)算公式：

(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs  

(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs

(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計(jì)算值。

說明：

IDS(on_end) =Ip2 ，電源使用中這一參數(shù)往往是激磁電流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關(guān)斷完成后之 VDS(off_beginning) 往往都有一個(gè)很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗(yàn)估算。

5 驅(qū)動(dòng)損耗Pgs

驅(qū)動(dòng)損耗，指柵極接受驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)造成之損耗

驅(qū)動(dòng)損耗的計(jì)算

確定驅(qū)動(dòng)電源電壓 Vgs 后，可通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

說明

Qg 為總驅(qū)動(dòng)電量，可通過器件規(guī)格書查找得到。

6 Coss電容的泄放損耗Pds

Coss電容的泄放損耗,指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲(chǔ)蓄的電場能于導(dǎo)同期間在漏源極上的泄放損耗。

Coss電容的泄放損耗計(jì)算

首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到開啟時(shí)刻前之 VDS ，再通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs

說明

Coss 為 MOSFET 輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過器件規(guī)格書查找得到。

7 體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗,指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流時(shí)因正向壓降造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計(jì)算

在一些利用體內(nèi)寄生二極管進(jìn)行載流的應(yīng)用中（例如同步整流），需要對(duì)此部分之損耗進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其中： IF 為二極管承載的電流量， VDF 為二極管正向?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載電流的時(shí)間。

說明

會(huì)因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同。可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之?dāng)?shù)值。

8 體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復(fù)造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗計(jì)算

這一損耗原理及計(jì)算方法與普通二極管的反向恢復(fù)損耗一樣。公式如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中： VDR 為二極管反向壓降， Qrr 為二極管反向恢復(fù)電量，由器件提供之規(guī)格書中查找而得。

減少M(fèi)OS管損耗的方法

減小開關(guān)損耗一方面要盡可能地制造出具有理想開關(guān)特性的器件,另一方面利用新的線路技術(shù)改變器件開關(guān)時(shí)期的波形,如:晶體管緩沖電路,諧振電路,和軟開關(guān)技術(shù)等。

(1)晶體管緩沖電路(即加吸收網(wǎng)絡(luò)技術(shù))

早期電源多采用此線路技術(shù)。采用此電路, 功率損耗雖有所減小,但仍不是很理想。①減少導(dǎo)通損耗在變壓器次級(jí)線圈后面加飽和電感, 加反向恢復(fù)時(shí)間快的二極管,利用飽和電感阻礙電流變化的特性, 限制電流上升的速率,使電流與電壓的波形盡可能小地重疊。②減少截止損耗加R 、C 吸收網(wǎng)絡(luò), 推遲變壓器反激電壓發(fā)生時(shí)間, 最好在電流為0時(shí)產(chǎn)生反激電壓,此時(shí)功率損耗為0。該電路利用電容上電壓不能突變的特性,推遲反激電壓發(fā)生時(shí)間。為了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此電路有明顯缺點(diǎn):因?yàn)殡娮璧拇嬖?導(dǎo)致吸收網(wǎng)絡(luò)有損耗 。

(2)諧振電路

該電路只改變開關(guān)瞬間電流波形,不改變導(dǎo)通時(shí)電流波形。只要選擇好合適的L 、C ,結(jié)合二極管結(jié)電容和變壓器漏感, 就能保證電壓為0時(shí),開關(guān)管導(dǎo)通或截止。因此, 采用諧振技術(shù)可使開關(guān)損耗很小。所以, SWITCHTEC 電源開關(guān)頻率可以做到術(shù)結(jié)構(gòu)380kHz的高頻率。

(3)軟開關(guān)技術(shù)

該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)起鉗位作用, 并構(gòu)成瀉放回路, 瀉放電流。電容在反激電壓作用下, 電容被充電, 電壓不能突然增加, 當(dāng)電壓比較大的時(shí)侯, 電流已經(jīng)為0。

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