降低開關(guān)電源開關(guān)損耗的原理

隨著開關(guān)頻率的升高，MOSFET的另一顯著功耗與MOSFET打開、關(guān)閉的過渡時(shí)間有關(guān)。圖3顯示MOSFET導(dǎo)通、斷開時(shí)的漏源電壓、漏極電流和MOSFET損耗。在功率損耗曲線下方，開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功耗比MOSFET導(dǎo)通時(shí)的損耗大。由此可見，功率損耗主要發(fā)生在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，而不是MOSFET開通時(shí)。

MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷需要一定的過渡時(shí)間，以對(duì)溝道充電，產(chǎn)生電流或?qū)系婪烹姡P(guān)斷電流。MOSFET參數(shù)表中，這些參數(shù)稱為導(dǎo)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間。對(duì)指定系列中，低導(dǎo)通電阻MOSFET對(duì)應(yīng)的開啟、關(guān)斷時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)。當(dāng)MOSFET開啟、關(guān)閉時(shí)，溝道同時(shí)加有漏極到源極的電壓和導(dǎo)通電流，其乘積等于功率損耗。三個(gè)基本功率是：

P=I*E

P=I2*R

P=E2/R

對(duì)上述公式積分得到功耗，可以對(duì)不同的開關(guān)頻率下的功率損耗進(jìn)行評(píng)估。

MOSFET的開啟和關(guān)閉的時(shí)間是常數(shù)，當(dāng)占空比不變而開關(guān)頻率升高時(shí)（圖5），狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間相應(yīng)增加，導(dǎo)致總功耗增加。例如，考慮一個(gè)SMPS工作在50%占空比500kHz，如果開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間各為0.1s，那么導(dǎo)通時(shí)間和斷開時(shí)間各為0.4s。如果開關(guān)頻率提高到1MHz，開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間仍為0.1s，導(dǎo)通時(shí)間和斷開時(shí)間則為0.15s。這樣，用于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間比實(shí)際導(dǎo)通、斷開的時(shí)間還要長(zhǎng)。

可以用一階近似更好地估計(jì)MOSFET的功耗，MOSFET柵極的充放電功耗的一階近似公式是：

EGATE=QGATE×VGS,

QGATE是柵極電荷，VGS是柵源電壓。

在升壓變換器中，從開啟到關(guān)閉、從關(guān)閉到開啟過程中產(chǎn)生的功耗可以近似為：

ET=(abs[VOUT-VIN]×ISW×t)/2

其中ISW是通過MOSFET的平均電流（典型值為0.5IPK），t是MOSFET參數(shù)表給出的開啟、關(guān)閉時(shí)間。

MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)的功耗（傳導(dǎo)損耗）可近似為：

ECON=(ISW)2×RON×tON,

其中RON是參數(shù)表中給出的導(dǎo)通電阻，tON是完全導(dǎo)通時(shí)間（tON=1/2f，假設(shè)最壞情況50%占空比）。

考慮一個(gè)典型的A廠商的MOSFET：

RDSON=69mW

QGATE=3.25nC

tRising=9ns

tFalling=12ns

一個(gè)升壓變換器參數(shù)如下：

VIN=5V

VOUT=12V

ISW=0.5A

VGS=4.5V

100kHz開關(guān)頻率下每周期的功率損耗如下：

EGATE=3.25nC×4.5V=14.6nJ

ET(rising)=((12V-5V)×0.5A×9ns)/2=17.75nJ

ET(falling)=((12V-5V)×0.5A×12ns)/2=21nJ

ECON=(0.5)2×69mW×1/(2×100kHz)=86.25nJ.

從結(jié)果可以看到，100kHz時(shí)導(dǎo)通電阻的損耗占主要部分，但在1MHz時(shí)結(jié)果完全不同。柵極和開啟關(guān)閉的轉(zhuǎn)換損耗保持不變，每周期的傳導(dǎo)損耗以十分之一的倍率下降到8.625nJ，從每周期的主要功耗轉(zhuǎn)為最小項(xiàng)。每周期損耗在62nJ，頻率升高10倍，總MOSFET功率損耗增加了4.4倍。

另外一款MOSFET：

RDSON=300mW

QGATE=0.76nC

TRising=7ns

TFalling=2.5ns.

SMPS的工作參數(shù)如下：