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          降低開關電源開關損耗的原理

          作者: 時間:2012-02-08 來源:網絡 收藏

          基于電感的電源(SM-PS)包含一個功率,用于控制輸入電源流經電感的電流。大多數電源設計選擇MOSFET作開關(圖1a中Q1),其主要優(yōu)點是MOSFET在導通狀態(tài)具有相對較低的功耗。

          本文引用地址:http://yuyingmama.com.cn/article/177936.htm

          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。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。這種在高開關頻率下非常明顯,而在穩(wěn)態(tài)(MOSFET連續(xù)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(fā)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(tài)特性,如柵極充放電和開關時間變得更重要??梢钥吹皆谳^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。


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          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;如果柵極電壓,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(tài)??梢灶A見,溝道的體積愈大,導通電阻愈小。同時,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MOSFET。同時,較大的溝道也需要更多的時間使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的功率起決定作用的是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(tài)特性將受到更多關注,因為這種情況下它們是影響開關的主要原因。


          2.gif
          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,對柵極提供一個正電壓可以提高溝道的場強,產生低導通電阻路徑,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,在給定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。


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