正確選擇MOSFET以優(yōu)化電源效率

優(yōu)化電源設(shè)計(jì)以提高效率十分重要。提高效率不僅可以節(jié)省能源，減少熱量產(chǎn)生，還可以縮小電源尺寸。本文將討論如何平衡上管 MOSFET (HS-FET) 和下管MOSFET (LS-FET) 的數(shù)量比，以提高電源設(shè)計(jì)的效率。

圖 1 顯示了一個(gè)具有 HS-FET 和 LS-FET 的簡(jiǎn)化電路。

圖 1：具有 HS-FET 和 LS-FET 的電路

選擇 MOSFET 時(shí)，如何恰當(dāng)分配 HS-FET 和 LS-FET 的內(nèi)阻以獲得最佳效率，這對(duì)電源工程師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。 

MOSFET的結(jié)構(gòu)和損耗組成

MOSFET 的選擇關(guān)乎效率，設(shè)計(jì)人員需要在其傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。傳導(dǎo)損耗發(fā)生在在 MOSFET 關(guān)閉期間，由于電流流過(guò)導(dǎo)通電阻而造成；開關(guān)損耗則發(fā)生在MOSFET 開關(guān)期間，因?yàn)?MOSFET 沒有即時(shí)開關(guān)而產(chǎn)生。這些都是由 MOSFET 內(nèi)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電容行為引起的。

MOSFET 是一種集成型多組件結(jié)構(gòu)，由多個(gè)MOSFET 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)并聯(lián)而成。并聯(lián)的MOSFET晶體越多，其導(dǎo)通電阻 (RDS(ON))越小，但寄生電容越大。較小的 RDS(ON) 會(huì)降低傳導(dǎo)損耗，但會(huì)增加寄生電容，從而增大開關(guān)損耗。因此，設(shè)計(jì)人員需要在電阻和電容之間取得一定的平衡。

選擇 MOSFET 時(shí)需要慎重的考慮，但通過(guò)板載測(cè)試來(lái)決定則可能需要花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和資源。因此，建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析損耗并幫助MOSFET選型將更有價(jià)值。

計(jì)算傳導(dǎo)損耗

我們首先來(lái)了解相對(duì)簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)損耗計(jì)算。通過(guò)單個(gè)周期內(nèi)流經(jīng) MOSFET 的電流和紋波電流可以計(jì)算出傳導(dǎo)損耗。 

為確保精確性，進(jìn)行此計(jì)算時(shí)需考慮 RDS(ON) 與溫度之間的關(guān)系。因?yàn)镸OSFET的內(nèi)阻 RDS(ON) 不是一個(gè)固定值，它會(huì)隨著溫度的升高而增大。

傳導(dǎo)損耗的計(jì)算方法如圖2所示。其中 IO 是標(biāo)稱電流， ΔIO 是電流紋波幅度，TJ 是結(jié)溫，k 是溫度系數(shù)。

圖 2：傳導(dǎo)損耗的計(jì)算

開關(guān)損耗（寄生效應(yīng)）

開關(guān)損耗的計(jì)算比較困難，因?yàn)橛?jì)算時(shí)需考慮每個(gè)環(huán)路中的電感引起的寄生電感，以及 MOSFET 在不同電壓下的非線性寄生電容。

圖 3 所示為開關(guān)損耗計(jì)算中需考慮的兩種寄生因素。

圖 3：兩種寄生因素

開關(guān)損耗（導(dǎo)通損耗）

導(dǎo)通損耗包括三個(gè)階段，如下所述：

1. 階段 1（HS-FET 階段）：當(dāng) HS-FET 導(dǎo)通時(shí)，漏源電壓 (VDS) 開始下降，漏源電流則一直上升，直到 HS-FET 的 VDS(TOP) 電壓降至 0V，或者 HS-FET 電流 (IHS) 上升至輸出電流 (IOUT)。

2. 階段 2（反向恢復(fù)階段）：在反向恢復(fù)期間，ITOP 達(dá)到峰值，然后LS-FET 開始產(chǎn)生電壓。

3. 階段3（震蕩階段）：當(dāng)IHS停止波動(dòng)時(shí)，震蕩結(jié)束。

圖 4 顯示了與導(dǎo)通損耗相關(guān)的開關(guān)損耗。

圖4: 導(dǎo)通損耗

開關(guān)損耗（關(guān)斷損耗）

關(guān)斷損耗包含兩個(gè)階段，如下所述：

階段1（DS 電壓上升）：IDS 隨著 VDS 的上升而下降。當(dāng) IDS 降至 0A 時(shí)，此階段結(jié)束。

階段 2（振蕩）：當(dāng) VDS 停止振蕩時(shí)，此階段結(jié)束。

圖5所示為關(guān)斷損耗。 

圖5: 關(guān)斷損耗

數(shù)學(xué)模型和分析驗(yàn)證

了解電路的各種損耗之后，就可以按如下步驟建立數(shù)學(xué)模型：

1. 按需求設(shè)置電路參數(shù)值。根據(jù)上文中的公式及其非線性參數(shù)補(bǔ)償值來(lái)分析MOSFET 的值。

2. 在變換器穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，至少運(yùn)行一個(gè)開關(guān)周期，執(zhí)行瞬態(tài)仿真。

3. 對(duì)電壓和電流波形進(jìn)行積分，得到MOSFET的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。該步驟可以通過(guò)功率探頭或?qū)㈦娏骱?VDS 波形相乘來(lái)完成。

一旦建立了模型，利用從上文得到的功率損耗中獲取的數(shù)據(jù)，得到仿真效率值，將該值與電路板（或數(shù)據(jù)手冊(cè)）中得到的效率曲線進(jìn)行比較。如果計(jì)算效率誤差在 0.5% 以內(nèi)，則認(rèn)為該模型是精確的（見圖 6）。

圖 6：數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

基于數(shù)學(xué)工具選擇MOSFET

在本文的示例中，我們采用了總內(nèi)阻為100mΩ的10個(gè)MOSFET，根據(jù)上述模型計(jì)算在不同上/下管MOSFET比率下的效率曲線。例如，1:9 的比率意味著有1個(gè) HS-FET（高 RDS(ON)、低電容）和9個(gè) LS-FET（低 RDS(ON)、低電容）。

通過(guò)比較曲線，我們可以得出結(jié)論，12V 至 3.3V、10A 應(yīng)用的MOSFET 最佳比率為3:7（見圖 7）。這組效率曲線表明，即使 MOSFET 的數(shù)量相同，不同的比率也將導(dǎo)致不同的效率曲線。由此我們可以找到最優(yōu)效率曲線下的最佳MOSFET比率。

圖7: 最佳MOSFET比率

圖 8 顯示了在相同的輸入和輸出規(guī)格以及相同輸出電流下，如何在不同的 MOSFET 比率下找到電路中的最小損耗點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員在選擇 MOSFET 比率時(shí)必須牢記這些規(guī)范。

圖 8：最佳效率的比較

結(jié)語(yǔ) MOSFET 的選擇與電路效率密切相關(guān)，而精確的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化 MOSFET 晶體管的選擇與設(shè)計(jì)。要獲得精確的模型，需要考慮電路的寄生參數(shù)，并利用效率曲線來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。 本文介紹了如何通過(guò)精確的數(shù)學(xué)建模來(lái)選擇合適的 HS-FET 和 LS-FET 比率，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電源效率。如需了解更多信息，請(qǐng)參閱MPS 的MOSFET 驅(qū)動(dòng)器 和 電源 解決方案。