技術解析:有效地降低開關電源開關損耗的原理
可以用一階近似更好地估計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,從開啟到關閉、從關閉到開啟過程中產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參數表給出的開啟、關閉時間。
MOSFET完全導通時的功耗(傳導損耗)可近似為:
ECON=(ISW)2×RON×tON,
其中RON是參數表中給出的導通電阻,tON是完全導通時間(tON=1/2f,假設最壞情況50%占空比)。考慮一個典型的A廠商的MOSFET:
RDSON=69mW
QGATE=3.25nC
tRising=9ns
tFalling=12ns
一個升壓變換器參數如下:
VIN=5V
VOUT=12V
ISW=0.5A
VGS=4.5V
100kHz開關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.
從結果可以看到,100kHz時導通電阻的損耗占主要部分,但在1MHz時結果完全不同。柵極和開啟關閉的轉換損耗保持不變,每周期的傳導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為最小項。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的工作參數如下:
EGATE=0.76nC×4.5V=3.4nJ
ET(rising)=((12V-5V)×0.5A×7ns)/2=12.25nJ
ET(falling)=((12V-5V)×0.5A×2.5ns)/2=4.3nJ
ECON=(0.5)2×300mW×1/(2×1MHz)=37.5nJ.
導通電阻的損耗仍然占主要地位,但是每周的總功耗僅57.45nJ。這就是說,高RDSON(超過4倍)的MOSFET使總功耗減少了7%以上。如上所述,可以通過選擇導通電阻及其它MOSFET參數來提高SMPS的效率。
到目前為止,對低導通電阻MOSFET的需求并沒有改變。大功率的SMPS傾向于使用低開關頻率,所以MOSFET的低導通電阻對提高效率非常關鍵。但對便攜設備,需要使用小體積的SMPS,此時的SMPS工作在較高的開關頻率,可以用更小的電感和電容。延長電池壽命必須提高SMPS效率,在高開關頻率下,低導通電阻MOSFET未必是最佳選擇,需要
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