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技术解析:有效地降低开关电源开关损耗的原理

钜大LARGE  |  点击量:1160次  |  2020年05月19日  

基于电感的开关电源(SM-pS)包含一个功率开关,用于控制输入电源流经电感的电流。大多数开关电源设计选择MOSFET作开关(图1a中Q1),其重要优点是MOSFET在导通状态具有相对较低的功耗。


MOSFET完全打开时的导通电阻(RDS(ON))是一个关键指标,因为MOSFET的功耗随导通电阻变化很大。开关完全打开时,MOSFET的功耗为ID2与RDS(ON)的乘积。假如RDS(ON)为0.02W,ID为1A,则MOSFET功耗为0.02*12=0.02W。功率MOSFET的另一功耗源是栅极电容的充放电。这种损耗在高开关频率下非常明显,而在稳态(MOSFET持续导通)情况下,MOSFET栅极阻抗极高,典型的栅极电流在纳安级,因此,这时栅极电容引起的功耗则微不足道。转换效率是SMpS的重要指标,须选择尽可能低的RDS(ON)。MOSFET制造商也在坚持不懈地开发低导通电阻的MOSFET,以满足这一需求。


随着蜂窝电话、pDA及其他电子设备的体积要求越来越小,对电子器件,包括电感、电容、MOSFET等的尺寸要求也更加苛刻。减小SMpS体积的通用方法是提高它的开关频率,开关频率高容许使用更小的电感、电容,使外部元件尺寸最小。


不幸的是,提高SMpS的开关频率会降低转换效率,即使MOSFET的导通电阻非常小。工作在高开关频率时,MOSFET的动态特性,如栅极充放电和开关时间变得更重要。可以看到在较高的开关频率时,高导通电阻的MOSFET反而可以提高SMpS的效率。为了理解这个现象就不能只看MOSFET的导通电阻。下面讨论了N沟道增强型MOSFET的情况,其它类型的MOSFET具有相同结果。


当沟道完全打开,沟道电阻(RDS(ON))降到最低;假如降低栅极电压,沟道电阻则升高,直到几乎没有电流通过漏极、源极,这时MOSFET处于断开状态。可以预见,沟道的体积愈大,导通电阻愈小。同时,较大的沟道也要较大的控制栅极。由于栅极类似于电容,较大的栅极其电容也较大,这就要更多的电荷来开关MOSFET。同时,较大的沟道也要更多的时间使MOSFET打开或关闭。工作在高开关频率时,这些特性对转换效率的下降有重要影响。在低开关频率或低功率下,对SMpSMOSFET的功率损耗起决定用途的是RDS(ON),其它非理想参数的影响通常很小,可忽略不计。而在高开关频率下,这些动态特性将受到更多关注,因为这种情况下它们是影响开关损耗的重要原因。


图2.所示简单模型显示了N沟道增强型MOSFET的基本组成,流经漏极与源极之间沟道的电流受栅极电压控制


MOSFET栅极类似于电容极板,对栅极供应一个正电压可以提高沟道的场强,出现低导通电阻路径,提高沟道中的带电粒子的流通。


对SMpS的栅极电容充电将消耗一定的功率,断开MOSFET时,这些能量通常被消耗到地上。这样,除了消耗在MOSFET导通电阻的功率外,SMpS的每一开关周期都消耗功率。显然,在给按时间内栅极电容充放电的次数随开关频率而升高,功耗也随之增大。开关频率非常高时,开关损耗会超过MOSFET导通电阻的损耗。


随着开关频率的升高,MOSFET的另一显著功耗与MOSFET打开、关闭的过渡时间有关。图3显示MOSFET导通、断开时的漏源电压、漏极电流和MOSFET损耗。在功率损耗曲线下方,开关转换期间的功耗比MOSFET导通时的损耗大。由此可见,功率损耗重要发生在开关状态转换时,而不是MOSFET开通时。


MOSFET的导通和关断要一定的过渡时间,以对沟道充电,出现电流或对沟道放电,关断电流。MOSFET参数表中,这些参数称为导通上升时间和关断下降时间。对指定系列中,低导通电阻MOSFET对应的开启、关断时间相对要长。当MOSFET开启、关闭时,沟道同时加有漏极到源极的电压和导通电流,其乘积等于功率损耗。三个基本功率是:


p=I*E


p=I2*R


p=E2/R


对上述公式积分得到功耗,可以对不同的开关频率下的功率损耗进行评估。


MOSFET的开启和关闭的时间是常数,当占空比不变而开关频率升高时(图5),状态转换的时间相应新增,导致总功耗新增。例如,考虑一个SMpS工作在50%占空比500kHz,假如开启时间和关闭时间各为0.1祍,那么导通时间和断开时间各为0.4祍。假如开关频率提高到1MHz,开启时间和关闭时间仍为0.1祍,导通时间和断开时间则为0.15祍。这样,用于状态转换的时间比实际导通、断开的时间还要长。


可以用一阶近似更好地估计MOSFET的功耗,MOSFET栅极的充放电功耗的一阶近似公式是:


EGATE=QGATE×VGS,


QGATE是栅极电荷,VGS是栅源电压。


在升压变换器中,从开启到关闭、从关闭到开启过程中出现的功耗可以近似为:


ET=(abs[VOUT-VIN]×ISW×t)/2


其中ISW是通过MOSFET的平均电流(典型值为0.5IpK),t是MOSFET参数表给出的开启、关闭时间。


MOSFET完全导通时的功耗(传导损耗)可近似为:


ECON=(ISW)2×RON×tON,


其中RON是参数表中给出的导通电阻,tON是完全导通时间(tON=1/2f,假设最坏情况50%占空比)。考虑一个典型的A厂商的MOSFET:


RDSON=69mW


QGATE=3.25nC


tRising=9ns


tFalling=12ns


一个升压变换器参数如下:


VIN=5V


VOUT=12V


ISW=0.5A


VGS=4.5V


100kHz开关频率下每周期的功率损耗如下:


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.


从结果可以看到,100kHz时导通电阻的损耗占重要部分,但在1MHz时结果完全不同。栅极和开启关闭的转换损耗保持不变,每周期的传导损耗以十分之一的倍率下降到8.625nJ,从每周期的重要功耗转为最小项。每周期损耗在62nJ,频率升高10倍,总MOSFET功率损耗新增了4.4倍。


另外一款MOSFET:


RDSON=300mW


QGATE=0.76nC


TRising=7ns


TFalling=2.5ns.


SMpS的工作参数如下:


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.


导通电阻的损耗仍然占重要地位,但是每周的总功耗仅57.45nJ。这就是说,高RDSON(超过4倍)的MOSFET使总功耗减少了7%以上。如上所述,可以通过选择导通电阻及其它MOSFET参数来提高SMpS的效率。


到目前为止,对低导通电阻MOSFET的需求并没有改变。大功率的SMpS倾向于使用低开关频率,所以MOSFET的低导通电阻对提高效率非常关键。但对便携设备,要使用小体积的SMpS,此时的SMpS工作在较高的开关频率,可以用更小的电感和电容。延长电池寿命必须提高SMpS效率,在高开关频率下,低导通电阻MOSFET未必是最佳选择,要在导通电阻、栅极电荷、栅极上升/下降时间等参数上进行折中考虑。


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