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技术解析有效地降低开关电源开关损耗的原理

发布时间:2020-07-21 17:18:27 阅读: 来源:胶体磨厂家

基于电感的开关电源(SM-PS)包含一个功率开关,用于控制输入电源流经电感的电流。大多数开关电源设计选择MOSFET作开关(图1a中Q1),其主要优点是MOSFET在导通状态具有相对较低的功耗。

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MOSFET完全打开时的导通电阻(RDS(ON))是一个关键指标,因为MOSFET的功耗随导通电阻变化很大。开关完全打开时,MOSFET的功耗为ID2与RDS(ON)的乘积。如果RDS(ON)为0.02W,ID为1A,则MOSFET功耗为0.02*12=0.02W。功率MOSFET 的另一功耗源是栅极电容的充放电。这种损耗在高开关频率下非常明显,而在稳态(MOSFET连续导通)情况下,MOSFET栅极阻抗极高,典型的栅极电流在纳安级,因此,这时栅极电容引起的功耗则微不足道。转换效率是SMPS的重要指标,须选择尽可能低的RDS(ON)。MOSFET制造商也在坚持不懈地开发低导通电阻的MOSFET,以满足这一需求。

随着蜂窝电话、PDA及其他电子设备的体积要求越来越小,对电子器件,包括电感、电容、MOSFET等的尺寸要求也更加苛刻。减小SMPS体积的通用方法是提高它的开关频率,开关频率高容许使用更小的电感、电容,使外部元件尺寸最小。

不幸的是,提高SMPS的开关频率会降低转换效率,即使MOSFET的导通电阻非常小。工作在高开关频率时,MOSFET的动态特性,如栅极充放电和开关时间变得更重要。可以看到在较高的开关频率时,高导通电阻的MOSFET反而可以提高SMPS的效率。为了理解这个现象就不能只看MOSFET的导通电阻。下面讨论了N沟道增强型MOSFET的情况,其它类型的MOSFET具有相同结果。

当沟道完全打开,沟道电阻(RDS(ON))降到最低;如果降低栅极电压,沟道电阻则升高,直到几乎没有电流通过漏极、源极,这时MOSFET处于断开状态。可以预见,沟道的体积愈大,导通电阻愈小。同时,较大的沟道也需要较大的控制栅极。由于栅极类似于电容,较大的栅极其电容也较大,这就需要更多的电荷来开关MOSFET。同时,较大的沟道也需要更多的时间使MOSFET打开或关闭。工作在高开关频率时,这些特性对转换效率的下降有重要影响。在低开关频率或低功率下,对SMPSMOSFET的功率损耗起决定作用的是RDS(ON),其它非理想参数的影响通常很小,可忽略不计。而在高开关频率下,这些动态特性将受到更多关注,因为这种情况下它们是影响开关损耗的主要原因。

图2.所示简单模型显示了N沟道增强型MOSFET的基本组成,流经漏极与源极之间沟道的电流受栅极电压控制

MOSFET栅极类似于电容极板,对栅极提供一个正电压可以提高沟道的场强,产生低导通电阻路径,提高沟道中的带电粒子的流通。

对SMPS的栅极电容充电将消耗一定的功率,断开MOSFET时,这些能量通常被消耗到地上。这样,除了消耗在MOSFET导通电阻的功率外,SMPS的每一开关周期都消耗功率。显然,在给定时间内栅极电容充放电的次数随开关频率而升高,功耗也随之增大。开关频率非常高时,开关损耗会超过 MOSFET导通电阻的损耗。

随着开关频率的升高,MOSFET的另一显著功耗与MOSFET打开、关闭的过渡时间有关。图3显示MOSFET导通、断开时的漏源电压、漏极电流和MOSFET损耗。在功率损耗曲线下方,开关转换期间的功耗比MOSFET导通时的损耗大。由此可见,功率损耗主要发生在开关状态转换时,而不是 MOSFET开通时。

MOSFET的导通和关断需要一定的过渡时间,以对沟道充电,产生电流或对沟道放电,关断电流。MOSFET参数表中,这些参数称为导通上升时间和关断下降时间。对指定系列中,低导通电阻MOSFET对应的开启、关断时间相对要长。当MOSFET开启、关闭时,沟道同时加有漏极到源极的电压和导通电流,其乘积等于功率损耗。三个基本功率是:

P=I*E

P=I2*R

P=E2/R

对上述公式积分得到功耗,可以对不同的开关频率下的功率损耗进行评估。

MOSFET的开启和关闭的时间是常数,当占空比不变而开关频率升高时(图5),状态转换的时间相应增加,导致总功耗增加。例如,考虑一个

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