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

可以用一階近似更好地估計(jì)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(guān)閉、從關(guān)閉到開啟過(guò)程中產(chǎn)生的功耗可以近似為：

ET=(abs[VOUT-VIN]×ISW×t)/2

其中ISW是通過(guò)MOSFET的平均電流(典型值為0.5IPK)，t是MOSFET參數(shù)表給出的開啟、關(guān)閉時(shí)間。

MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)的功耗(傳導(dǎo)損耗)可近似為：

ECON=(ISW)2×RON×tON,

其中RON是參數(shù)表中給出的導(dǎo)通電阻，tON是完全導(dǎo)通時(shí)間(tON=1/2f，假設(shè)最壞情況50%占空比)。考慮一個(gè)典型的A廠商的MOSFET：

RDSON=69mW

QGATE=3.25nC

tRising=9ns

tFalling=12ns

一個(gè)升壓變換器參數(shù)如下：

VIN=5V

VOUT=12V

ISW=0.5A

VGS=4.5V

100kHz開關(guān)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(jié)果可以看到，100kHz時(shí)導(dǎo)通電阻的損耗占主要部分，但在1MHz時(shí)結(jié)果完全不同。柵極和開啟關(guān)閉的轉(zhuǎn)換損耗保持不變，每周期的傳導(dǎo)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(zhuǎn)為最小項(xiàng)。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(shù)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(dǎo)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(shuō)，高RDSON(超過(guò)4倍)的MOSFET使總功耗減少了7%以上。如上所述，可以通過(guò)選擇導(dǎo)通電阻及其它MOSFET參數(shù)來(lái)提高SMPS的效率。

到目前為止，對(duì)低導(dǎo)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(guān)頻率，所以MOSFET的低導(dǎo)通電阻對(duì)提高效率非常關(guān)鍵。但對(duì)便攜設(shè)備，需要使用小體積的SMPS，此時(shí)的SMPS工作在較高的開關(guān)頻率，可以用更小的電感和電容。延長(zhǎng)電池壽命必須提高SMPS效率，在高開關(guān)頻率下，低導(dǎo)通電阻MOSFET未必是最佳選擇，需要