开关电源MOS管的8大消耗计较与选型准绳剖析-削减MOS管消耗的体例-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2019-01-15
开关情势电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称互换式电源、开关变更器，是一种高频化电能转换装配，是电源供给器的一种。其功效是将一个位准的电压，透过差别情势的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多数是互换电源（比方市电）或是直流电源，而输入多数是须要直流电源的装备，比方小我电脑，而开关电源就停止二者之间电压及电流的转换。
开关消耗包罗导通消耗和停止消耗。导通消耗指功率管从停止到导通时,所产生的功率消耗。停止消耗指功率管从导通到停止时,所产生的功率消耗。开关消耗（Switching-Loss）包罗守旧消耗（Turn-on Loss）和关断消耗(Turn-of Loss)，经常在硬开关（Hard-Switching）和软开关（Soft-Switching）中会商。所谓守旧消耗（Turn-on Loss），是指非抱负的开关管在守旧时，开关管的电压不是当即降落到零，而是有一个降落时候，同时它的电流也不是当即回升到负载电流，也有一个回升时候。在这段时候内，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生消耗，这个消耗即为守旧消耗。以此类比，能够或许或许得出关断消耗产生的缘由，这里不再赘述。开关消耗另外一个意义是指在开关电源中，对大的MOS管停止开关操纵时，须要对寄生电容充放电，如许也会引发消耗。
在电源电路操纵中，常常起首斟酌漏源电压 VDS 的挑选。在此上的根基准绳为 MOSFET 现实任务情况中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。即：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注：通俗地， V(BR)DSS 具备正温度系数。故应取装备最低任务温度前提下之 V(BR)DSS值作为参考。
其次斟酌漏极电流的挑选。根基准绳为 MOSFET 现实任务情况中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：通俗地， ID_max 及 ID_pulse 具备负温度系数，故应取器件在最大结温前提下之 ID_max 及 ID_pulse 值作为参考。器件此参数的挑选是极其不肯定的—首要是受任务情况，散热手艺，器件别的参数（如导通电阻，热阻等）等彼此限定影响而至。终究的鉴定按照是结点温度（即以下第六条之“耗散功率束缚”）。按照经历，在现实操纵中规格书目中之 ID 会比现实最大任务电流大数倍，这是由于散耗功率及温升之限限定束。在初选计较时代还须按照上面第六条的散耗功率束缚不时调剂此参数。倡议初选于 3~5 倍摆布 ID = (3~5)*ID_max。
MOSFEF 的驱动请求由其栅极总充电电量（ Qg ）参数决议。在知足别的参数请求的情况下，尽能够挑选 Qg 小者以便驱动电路的设想。驱动电压挑选在保障阔别最大栅源电压（ VGSS ）前提下使 Ron 尽能够小的电压值（通俗操纵器件规格书中的倡议值）
小的 Ron 值有益于减小导通时代消耗，小的 Rth 值可减小温度差（一样耗散功率前提下），故有益于散热。
MOSFET 消耗计较首要包罗以下 8 个局部：
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
详细计较公式应按照详细电路及任务前提而定。比方在同步整流的操纵场所，还要斟酌体内二极管正向导通时代的消耗和转向停止时的反向规复消耗。消耗计较可参考下文的“MOS管消耗的8个组成局部”局部。
器件稳态消耗功率 PD,max 应以器件最大任务结温度限定作为考量按照。如能够或许或许事后晓得器件任务情况温度，则能够或许或许按以下体例预算出最大的耗散功率：
PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a
此中 Rθj-a 是器件结点到其任务情况之间的总热阻 , 包罗 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其间另有绝缘材料还须将其热阻斟酌出来。
在器件设想挑选进程中须要对 MOSFET 的任务进程消耗停止先期计较（所谓先期计较是指在没能够或许或许测试各任务波形的情况下，操纵器件规格书供给的参数及任务电路的计较值和估计波形，套用公式停止现实上的近似计较）。
导通消耗,指在 MOSFET 完整开启后负载电流（即漏源电流） IDS(on)(t) 在导通电阻 RDS(on) 上产生之压降形成的消耗。
导通消耗计较：
先经由进程计较获得 IDS(on)(t) 函数抒发式并算出其有用值 IDS(on)rms ，再经由进程以下电阻消耗计较式计较：
Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don
申明：
计较 IDS(on)rms 时操纵的时代仅是导通时候 Ton ，而不是全部任务周期 Ts ； RDS(on)会随 IDS(on)(t) 值和器件结点温度差别而有所差别，此时的准绳是按照规格书查找尽能够靠近估计任务前提下的 RDS(on) 值（即乘以规格书供给的一个温度系数 K ）。
停止消耗，指在 MOSFET 完整停止后在漏源电压 VDS(off) 应力下产生的泄电流 IDSS 形成的消耗。
停止消耗计较：
先经由进程计较获得 MOSFET 停止时所蒙受的漏源电压 VDS(off) ，在查找器件规格书供给之 IDSS ，再经由进程以下公式计较：
Poff=VDS(off) × IDSS ×（ 1-Don ）
申明：
IDSS 会依 VDS(off) 变更而变更，而规格书供给的此值是在一近似 V(BR)DSS 前提下的参数。如计较获得的漏源电压 VDS(off) 很大以致靠近 V(BR)DSS 则可间接援用此值，如很小，则可取零值，即疏忽此项。
开启进程消耗，指在 MOSFET 开启进程中逐步降落的漏源电压 VDS(off_on)(t) 与逐步回升的负载电流（即漏源电流） IDS(off_on)(t) 穿插堆叠局部形成的消耗。
开启进程消耗计较：
开启进程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 穿插波形如上图所示。起首须计较或估计获得开启时辰前之 VDS(off_end) 、开启实现后的 IDS(on_beginning) 即图示之 Ip1 ，和 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 堆叠时候 Tx 。而后再经由进程以下公式计较：
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt
现实计较中首要有两种假定 — 图 (A) 那种假定以为 VDS(off_on)(t) 的起头降落与 ID(off_on)(t) 的逐步回升同时产生；图 (B) 那种假定以为 VDS(off_on)(t) 的降落是从 ID(off_on)(t) 回升到最大值后才起头。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 现实测试到的波形，其更靠近于 (A) 类假定。针对这两种假定延长出两种计较公式：
(A) 类假定 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs
(B) 类假定 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs
(B) 类假定可作为最卑劣情势的计较值。
申明：
图 (C) 的现实测试到波形能够或许或许看到开启实现后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 （电源操纵中 Ip1 参数常常是激磁电流的 初始值）。叠加的电流波峰切当数值咱们难以估计获得，其 跟电路架构和器件参数有关。比方 FLYBACK 中 现实电流应 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 为次级端整流二极管的反向恢 来电流感应回初极的电流值 -- 即乘以匝比， Ib 为变压器 低级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关守旧刹时开释的 电流 ) 。这个难以估计的数值也是形成此局部计较偏差的 首要缘由之一。
关断进程消耗。指在 MOSFET 关断进程中 逐步回升的漏源电压 VDS(on_off) (t) 与逐步 降落的漏源电流 IDS(on_off)(t) 的穿插重 叠局部形成的消耗。
关断进程消耗计较：
如上图所示，此局部消耗计较道理及体例跟 Poff_on 近似。 起首须计较或估计获得关断实现后之漏源电压 VDS(off_beginning) 、关断时辰前的负载电流 IDS(on_end) 即图示之 Ip2 和 VDS(on_off) (t) 与 IDS(on_off)(t) 堆叠时候 Tx 。而后再经由进程 以下公式计较：
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt
现实计较中，针对这两种假定延长出两个计较公式：
(A) 类假定 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs
(B) 类假定 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs
(B) 类假定可作为最卑劣情势的计较值。
申明：
IDS(on_end) =Ip2 ，电源操纵中这一参数常常是激磁电流 的结尾值。因漏感等身分， MOSFET 在关断实现后之 VDS(off_beginning) 常常都有一个很大的电压尖峰 Vspike 叠加其 上，此值可大抵按经历预算。
驱动消耗，指栅极接管驱动电源停止驱动形成之消耗
驱动消耗的计较
肯定驱动电源电压 Vgs 后，可经由进程以下公式停止计较：
Pgs= Vgs × Qg × fs
申明
Qg 为总驱动电量，可经由进程器件规格书查找获得。
Coss电容的泄放消耗,指MOS输入电容 Coss 停止时代储备的电场能于导同时代在漏源极上的泄放消耗。
Coss电容的泄放消耗计较
起首须计较或估计获得开启时辰前之 VDS ，再经由进程以下公式停止计较：
Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs
申明
Coss 为 MOSFET 输入电容，通俗可即是 Cds ，此值可经由进程器件规格书查找获得。
体内寄生二极管正向导通消耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降形成的消耗。
体内寄生二极管正向导通消耗计较
在一些操纵体内寄生二极管停止载流的操纵中（比方同步整流），须要对此局部之消耗停止计较。公式以下：
Pd_f = IF × VDF × tx × fs
此中： IF 为二极管承载的电流量， VDF 为二极管正向导通压降， tx 为一周期内二极管承载电流的时候。
申明
会因器件结温及承载的电流巨细差别而差别。可按照现实操纵情况在其规格书上查找到尽能够靠近之数值。
体内寄生二极管反向规复消耗，指MOS体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致使的反向规复形成的消耗。
体内寄生二极管反向规复消耗计较
这一消耗道理及计较体例与通俗二极管的反向规复消耗一样。公式以下：
Pd_recover=VDR × Qrr × fs
此中： VDR 为二极管反向压降， Qrr 为二极管反向规来电量，由器件供给之规格书中查找而得。
减小开关消耗一方面要尽能够地制作出具备抱负开关特征的器件,另外一方面操纵新的线路手艺转变器件开关时代的波形,如:晶体管缓冲电路,谐振电路,和软开关手艺等。
(1)晶体管缓冲电路(即加接收收集手艺)
初期电源多接纳此线路手艺。接纳此电路, 功率消耗虽有所减小,但仍不是很抱负。①削减导通消耗在变压器次级线圈前面加饱和电感, 加反向规复时候快的二极管,操纵饱和电感障碍电流变更的特征, 限定电流回升的速度,使电流与电压的波形尽能够小地堆叠。②削减停止消耗加R 、C 接收收集, 推延变压器反激电压产生时候, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率消耗为0。该电路操纵电容上电压不能渐变的特征,推延反激电压产生时候。为了增添靠得住性,也可在功率管上加R 、C 。可是此电路有较着错误谬误:由于电阻的存在,致使接收收集有消耗 。
(2)谐振电路
该电路只转变开关刹时电流波形,不转变导通时电流波形。只需挑选好适合的L 、C ,连系二极管结电容和变压器漏感, 就能够保障电压为0时,开关管导通或停止。是以, 接纳谐振手艺能够使开关消耗很小。以是, SWITCHTEC 电源开关频次能够或许或许做到术布局380kHz的高频次。
(3)软开关手艺
该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位感化, 并组成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压感化下, 电容被充电, 电压不能俄然增添, 当电压比拟大的时侯, 电流已为0。
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