技術(shù)解析：有效地降低開關(guān)電源開關(guān)損耗的原理

基于電感的開關(guān)電源(SM-PS)包含一個(gè)功率開關(guān)，用于控制輸入電源流經(jīng)電感的電流。大多數(shù)開關(guān)電源設(shè)計(jì)選擇MOSFET作開關(guān)(圖1a中Q1)，其主要優(yōu)點(diǎn)是MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)具有相對(duì)較低的功耗。

MOSFET完全打開時(shí)的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)镸OSFET的功耗隨導(dǎo)通電阻變化很大。開關(guān)完全打開時(shí)，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(guān)頻率下非常明顯，而在穩(wěn)態(tài)(MOSFET連續(xù)導(dǎo)通)情況下，MOSFET柵極阻抗極高，典型的柵極電流在納安級(jí)，因此，這時(shí)柵極電容引起的功耗則微不足道。轉(zhuǎn)換效率是SMPS的重要指標(biāo)，須選擇盡可能低的RDS(ON)。MOSFET制造商也在堅(jiān)持不懈地開發(fā)低導(dǎo)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(shè)備的體積要求越來越小，對(duì)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(guān)頻率，開關(guān)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(guān)頻率會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，即使MOSFET的導(dǎo)通電阻非常小。工作在高開關(guān)頻率時(shí)，MOSFET的動(dòng)態(tài)特性，如柵極充放電和開關(guān)時(shí)間變得更重要?？梢钥吹皆谳^高的開關(guān)頻率時(shí)，高導(dǎo)通電阻的MOSFET反而可以提高SMPS的效率。為了理解這個(gè)現(xiàn)象就不能只看MOSFET的導(dǎo)通電阻。下面討論了N溝道增強(qiáng)型MOSFET的情況，其它類型的MOSFET具有相同結(jié)果。

當(dāng)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(shí)MOSFET處于斷開狀態(tài)?？梢灶A(yù)見，溝道的體積愈大，導(dǎo)通電阻愈小。同時(shí)，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(guān)MOSFET。同時(shí)，較大的溝道也需要更多的時(shí)間使MOSFET打開或關(guān)閉。工作在高開關(guān)頻率時(shí)，這些特性對(duì)轉(zhuǎn)換效率的下降有重要影響。在低開關(guān)頻率或低功率下，對(duì)SMPSMOSFET的功率損耗起決定作用的是RDS(ON)，其它非理想?yún)?shù)的影響通常很小，可忽略不計(jì)。而在高開關(guān)頻率下，這些動(dòng)態(tài)特性將受到更多關(guān)注，因?yàn)檫@種情況下它們是影響開關(guān)損耗的主要原因。

圖2.所示簡(jiǎn)單模型顯示了N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本組成，流經(jīng)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(duì)柵極提供一個(gè)正電壓可以提高溝道的場(chǎng)強(qiáng)，產(chǎn)生低導(dǎo)通電阻路徑，提高溝道中的帶電粒子的流通。

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

隨著開關(guān)頻率的升高，MOSFET的另一顯著功耗與MOSFET打開、關(guān)閉的過渡時(shí)間有關(guān)。圖3顯示MOSFET導(dǎo)通、斷開時(shí)的漏源電壓、漏極電流和MOSFET損耗。在功率損耗曲線下方，開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功耗比MOSFET導(dǎo)通時(shí)的損耗大。由此可見，功率損耗主要發(fā)生在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，而不是 MOSFET開通時(shí)。

MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷需要一定的過渡時(shí)間，以對(duì)溝道充電，產(chǎn)生電流或?qū)系婪烹?，關(guān)斷電流。MOSFET參數(shù)表中，這些參數(shù)稱為導(dǎo)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間。對(duì)指定系列中，低導(dǎo)通電阻MOSFET對(duì)應(yīng)的開啟、關(guān)斷時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)。當(dāng)MOSFET開啟、關(guān)閉時(shí)，溝道同時(shí)加有漏極到源極的電壓和導(dǎo)通電流，其乘積等于功率損耗。三個(gè)基本功率是：

P=I*E

P=I2*R

P=E2/R

對(duì)上述公式積分得到功耗，可以對(duì)不同的開關(guān)頻率下的功率損耗進(jìn)行評(píng)估。

MOSFET的開啟和關(guān)閉的時(shí)間是常數(shù)，當(dāng)占空比不變而開關(guān)頻率升高時(shí)(圖5)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間相應(yīng)增加，導(dǎo)致總功耗增加。例如，考慮一個(gè)