正確選擇 MOSFET以優(yōu)化電源效率
簡(jiǎn)介
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。
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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗則發(fā)生在MOSFET 開(kāi)關(guān)期間，因?yàn)?MOSFET 沒(méi)有即時(shí)開(kāi)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(kāi)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)。
開(kāi)關(guān)損耗（寄生效應(yīng)）
開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗計(jì)算中需考慮的兩種寄生因素。
開(kāi)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：
階段 1（HS-FET 階段）：當(dāng) HS-FET 導(dǎo)通時(shí)，漏源電壓 (VDS) 開(kāi)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)。
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(kāi)始產(chǎn)生電壓。
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(kāi)關(guān)損耗。
開(kāi)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。
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