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技術解析:有效地降低開關電源開關損耗的原理

作者: 時間:2014-01-24 來源:網絡 收藏

基于電感的(SM-PS)包含一個功率開關,用于控制輸入電源流經電感的電流。大多數設計選擇MOSFET作開關(圖1a中Q1),其主要優點是MOSFET在導通狀態具有相對較低的功耗。

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/226667.htm

技術解析:有效地降低開關電源開關損耗的原理

MOSFET完全打開時的導通電阻(RDS(ON))是一個關鍵指標,因為MOSFET的功耗隨導通電阻變化很大。開關完全打開時,MOSFET的功耗為ID2與RDS(ON)的乘積。如果RDS(ON)為0.02W,ID為1A,則MOSFET功耗為0.02*12=0.02W。功率MOSFET 的另一功耗源是柵極電容的充放電。這種損耗在高開關頻率下非常明顯,而在穩態(MOSFET連續導通)情況下,MOSFET柵極阻抗極高,典型的柵極電流在納安級,因此,這時柵極電容引起的功耗則微不足道。轉換效率是SMPS的重要指標,須選擇盡可能低的RDS(ON)。MOSFET制造商也在堅持不懈地開發低導通電阻的MOSFET,以滿足這一需求。

隨著蜂窩電話、PDA及其他電子設備的體積要求越來越小,對電子器件,包括電感、電容、MOSFET等的尺寸要求也更加苛刻。減小SMPS體積的通用方法是提高它的開關頻率,開關頻率高容許使用更小的電感、電容,使外部元件尺寸最小。

不幸的是,提高SMPS的開關頻率會降低轉換效率,即使MOSFET的導通電阻非常小。工作在高開關頻率時,MOSFET的動態特性,如柵極充放電和開關時間變得更重要。可以看到在較高的開關頻率時,高導通電阻的MOSFET反而可以提高SMPS的效率。為了理解這個現象就不能只看MOSFET的導通電阻。下面討論了N溝道增強型MOSFET的情況,其它類型的MOSFET具有相同結果。

當溝道完全打開,溝道電阻(RDS(ON))降到最低;如果降低柵極電壓,溝道電阻則升高,直到幾乎沒有電流通過漏極、源極,這時MOSFET處于斷開狀態。可以預見,溝道的體積愈大,導通電阻愈小。同時,較大的溝道也需要較大的控制柵極。由于柵極類似于電容,較大的柵極其電容也較大,這就需要更多的電荷來開關MOSFET。同時,較大的溝道也需要更多的時間使MOSFET打開或關閉。工作在高開關頻率時,這些特性對轉換效率的下降有重要影響。在低開關頻率或低功率下,對SMPSMOSFET的功率損耗起決定作用的是RDS(ON),其它非理想參數的影響通常很小,可忽略不計。而在高開關頻率下,這些動態特性將受到更多關注,因為這種情況下它們是影響的主要原因。

技術解析:有效地降低開關電源開關損耗的原理

圖2.所示簡單模型顯示了N溝道增強型MOSFET的基本組成,流經漏極與源極之間溝道的電流受柵極電壓控制

MOSFET柵極類似于電容極板,對柵極提供一個正電壓可以提高溝道的場強,產生低導通電阻路徑,提高溝道中的帶電粒子的流通。

對SMPS的柵極電容充電將消耗一定的功率,斷開MOSFET時,這些能量通常被消耗到地上。這樣,除了消耗在MOSFET導通電阻的功率外,SMPS的每一開關周期都消耗功率。顯然,在給定時間內柵極電容充放電的次數隨開關頻率而升高,功耗也隨之增大。開關頻率非常高時,會超過 MOSFET導通電阻的損耗。

隨著開關頻率的升高,MOSFET的另一顯著功耗與MOSFET打開、關閉的過渡時間有關。圖3顯示MOSFET導通、斷開時的漏源電壓、漏極電流和MOSFET損耗。在功率損耗曲線下方,開關轉換期間的功耗比MOSFET導通時的損耗大。由此可見,功率損耗主要發生在開關狀態轉換時,而不是 MOSFET開通時。

MOSFET的導通和關斷需要一定的過渡時間,以對溝道充電,產生電流或對溝道放電,關斷電流。MOSFET參數表中,這些參數稱為導通上升時間和關斷下降時間。對指定系列中,低導通電阻MOSFET對應的開啟、關斷時間相對要長。當MOSFET開啟、關閉時,溝道同時加有漏極到源極的電壓和導通電流,其乘積等于功率損耗。三個基本功率是:

P=I*E

P=I2*R

P=E2/R

對上述公式積分得到功耗,可以對不同的開關頻率下的功率損耗進行評估。

MOSFET的開啟和關閉的時間是常數,當占空比不變而開關頻率升高時(圖5),狀態轉換的時間相應增加,導致總功耗增加。例如,考慮一個


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