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降低開關電源開關損耗的原理

鉅大LARGE  |  點擊量:1232次  |  2020年05月15日  

基于電感的開關電源(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。大多數開關電源設計選擇MOSFET作開關(圖1a中Q1),其重要優點是MOSFET在導通狀態具有相對較低的功耗。


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。假如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持續導通)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。


圖1.一個典型的升壓轉換器(a)利用MOSFET控制流經電感至地。


當溝道完全打開,溝道電阻(RDS(ON))降到最低;假如降低柵極電壓,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,這就要更多的電荷來開關MOSFET。同時,較大的溝道也要更多的時間使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的功率損耗起決定用途的是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開關損耗的重要原因。


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,對柵極供應一個正電壓可以提高溝道的場強,出現低導通電阻路徑,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,在給按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,開關損耗會超過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,功率損耗重要發生在開關狀態轉換時,而不是MOSFET開通時。


MOSFET的導通和關斷要一定的過渡時間,以對溝道充電,出現電流或對溝道放電,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新增,導致總功耗新增。例如,考慮一個SMpS工作在50%占空比500kHz,假如開啟時間和關閉時間各為0.1祍,那么導通時間和斷開時間各為0.4祍。假如開關頻率提高到1MHz,開啟時間和關閉時間仍為0.1祍,導通時間和斷開時間則為0.15祍。這樣,用于狀態轉換的時間比實際導通、斷開的時間還要長。


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出現的功耗可以近似為:


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重要部分,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,從每周期的重要功耗轉為最小項。每周期損耗在62nJ,頻率升高10倍,總MOSFET功率損耗新增了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重要地位,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,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,要在導通電阻、柵極電荷、柵極上升/下降時間等參數上進行折中考慮。


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