降低開關電源開關損耗的原理

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，功率損耗主要發(fā)生在開關狀態(tài)轉換時，而不是MOSFET開通時。

MOSFET的導通和關斷需要一定的過渡時間，以對溝道充電，產(chǎn)生電流或?qū)系婪烹?，關斷電流。MOSFET參數(shù)表中，這些參數(shù)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(shù)，當占空比不變而開關頻率升高時（圖5），狀態(tài)轉換的時間相應增加，導致總功耗增加。例如，考慮一個SMPS工作在50%占空比500kHz，如果開啟時間和關閉時間各為0.1s，那么導通時間和斷開時間各為0.4s。如果開關頻率提高到1MHz，開啟時間和關閉時間仍為0.1s，導通時間和斷開時間則為0.15s。這樣，用于狀態(tài)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產(chǎn)生的功耗可以近似為：

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(shù)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(shù)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(shù)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主要部分，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，從每周期的主要功耗轉為最小項。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：