通过选择合适MOSFET优化电源效率

一路上

前言

优化电源设计以提高效率十分重要；提高效率不仅可以节省能源，减少热量产生，还可以缩小电源尺寸。下面讨论如何平衡上管 MOSFET (HS-FET) 和下管MOSFET (LS-FET) 的数量比，以提高电源设计的效率。

图 1 显示了一个具有 HS-FET 和 LS-FET 的简化电路。

图 1：具有 HS-FET 和 LS-FET 的电路

选择 MOSFET 时，如何恰当分配 HS-FET 和 LS-FET 的内阻以获得最佳效率，这对电源工程师来说是一项挑战。

MOSFET的结构和损耗组成

MOSFET 的选择关乎效率，设计人员需要在其传导损耗和开关损耗之间进行权衡。传导损耗发生在在 MOSFET 关闭期间，由于电流流过导通电阻而造成；开关损耗则发生在MOSFET 开关期间，因为 MOSFET 没有即时开关而产生。这些都是由 MOSFET 内半导体结构的电容行为引起的。

MOSFET 是一种集成型多组件结构，由多个MOSFET 半导体结构并联而成。并联的MOSFET晶体越多，其导通电阻 (RDS(ON))越小，但寄生电容越大。较小的 RDS(ON) 会降低传导损耗，但会增加寄生电容，从而增大开关损耗。因此，设计人员需要在电阻和电容之间取得一定的平衡。

选择 MOSFET 时需要慎重的考虑，但通过板载测试来决定则可能需要花费过多的时间和资源。因此，建立一个精确的数学模型来分析损耗并帮助MOSFET选型将更有价值。

计算传导损耗

我们首先来了解相对简单的传导损耗计算。通过单个周期内流经 MOSFET 的电流和纹波电流可以计算出传导损耗。

为确保精确性，进行此计算时需考虑 RDS(ON) 与温度之间的关系。因为MOSFET的内阻 RDS(ON) 不是一个固定值，它会随着温度的升高而增大。

传导损耗的计算方法如图2所示。其中 IO 是标称电流， ΔIO 是电流纹波幅度，TJ 是结温，k 是温度系数。

图 2：传导损耗的计算

开关损耗（寄生效应）

开关损耗的计算比较困难，因为计算时需考虑每个环路中的电感引起的寄生电感，以及 MOSFET 在不同电压下的非线性寄生电容。

图 3 所示为开关损耗计算中需考虑的两种寄生因素。

图 3：两种寄生因素

开关损耗（导通损耗）

导通损耗包括三个阶段，如下所述：
阶段 1（HS-FET 阶段）：当 HS-FET 导通时，漏源电压 (VDS) 开始下降，漏源电流则一直上升，直到 HS-FET 的 VDS(TOP) 电压降至 0V，或者 HS-FET 电流 (IHS) 上升至输出电流 (IOUT)。
阶段 2（反向恢复阶段）：在反向恢复期间，ITOP 达到峰值，然后LS-FET 开始产生电压。
阶段3（震荡阶段）：当IHS停止波动时，震荡结束。

图 4 显示了与导通损耗相关的开关损耗。

图4: 导通损耗

开关损耗（关断损耗）

关断损耗包含两个阶段，如下所述：
阶段1（DS 电压上升）：IDS 随着 VDS 的上升而下降。当 IDS 降至 0A 时，此阶段结束。
阶段 2（振荡）：当 VDS 停止振荡时，此阶段结束。

图5所示为关断损耗。

图5: 关断损耗

数学模型和分析验证

了解电路的各种损耗之后，就可以按如下步骤建立数学模型：
按需求设置电路参数值。根据上文中的公式及其非线性参数补偿值来分析MOSFET 的值。
在变换器稳态操作时，至少运行一个开关周期，执行瞬态仿真。
对电压和电流波形进行积分，得到MOSFET的开关损耗和传导损耗。该步骤可以通过功率探头或将电流和 VDS 波形相乘来完成。

一旦建立了模型，利用从上文得到的功率损耗中获取的数据，得到仿真效率值，将该值与电路板（或数据手册）中得到的效率曲线进行比较。如果计算效率误差在 0.5% 以内，则认为该模型是精确的（见图 6）。

图 6：数学模型验证

基于数学工具选择MOSFET

在本文的示例中，我们采用了总内阻为100mΩ的10个MOSFET，根据上述模型计算在不同上/下管MOSFET比率下的效率曲线。例如，1:9 的比率意味着有1个 HS-FET（高 RDS(ON)、低电容）和9个 LS-FET（低 RDS(ON)、低电容）。

通过比较曲线，我们可以得出结论，12V 至 3.3V、10A 应用的MOSFET 最佳比率为3:7（见图 7）。这组效率曲线表明，即使 MOSFET 的数量相同，不同的比率也将导致不同的效率曲线。由此我们可以找到最优效率曲线下的最佳MOSFET比率。

图7: 最佳MOSFET比率

图 8 显示了在相同的输入和输出规格以及相同输出电流下，如何在不同的 MOSFET 比率下找到电路中的最小损耗点。设计人员在选择 MOSFET 比率时必须牢记这些规范。

图 8：最佳效率的比较

总结

MOSFET 的选择与电路效率密切相关，而精确的数学模型可以简化 MOSFET 晶体管的选择与设计。要获得精确的模型，需要考虑电路的寄生参数，并利用效率曲线来验证结果。更多MOSFET内容请看：MOSFET结构及其工作原理详解。