开关电源MOS设计选型的几个基本原则.docx

开关电源MOS设计选型的几个基本原则目录1 .序言12 . MOS设计选型的几个基本原则22. 1.电压应力22. 2.漏极电流22. 3.驱动要求31. 4.损耗及散热32. 5.损耗功率初算83. 6.耗散功率约束84. MOS管损耗的8个组成部分93. 1.导通损耗 POn93.2. 截止损耗POff93.3. 开启过程损耗103.4. 关断过程损耗113.5. 驱动损耗PgS123. 6.体内寄生二极管正向导通损耗P（Lf124. 7.体内寄生二极管反向恢复损耗Pd_recover134.减少MOS管损耗的方法135. 1.晶体管缓冲电路（即加吸收网络技术）134.2. 谐振电路134.3. 软开关技术131 .序言开关模式电源（SWitCh Mode Power Supply）,又称交换式电源、开关变换 器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准 的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的 输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的 设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。开关损耗包括导通损耗和截止损耗。导通损耗指功率管从截止到导通时， 所产生的功率损耗。截止损耗指功率管从导通到截止时，所产生的功率损耗。开关损耗(SWitChing-LOSS)包括开通损耗(TUrn-On LoSS)和关断损耗(TUrn-Of Loss),常常在硬开关(Hard-SWitChing)和软开关(SOft-SWitChing)中讨论。所谓 开通损耗(TUrn-OnLOss),是指非理想的开关管在开通时，开关管的电压不是 立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电 流，也有一个上升时间。在这段时间内，开关管的电流和电压有一个交叠区， 会产生损耗，这个损耗即为开通损耗。以此类比，可以得出关断损耗产生的原 因，这里不再赘述。开关损耗另一个意思是指在开关电源中，对大的MoS管 进行开关操作时，需要对寄生电容充放电，这样也会引起损耗。2 . MOS设计选型的几个基本原则2. 1.电压应力在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压VDS的选择。在此上的基本原 则为MOSFET实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中 标称漏源击穿电压的90%。即：VDSPeakW90%*V(BR)DSS注1： 一般地，V(BR)DSS具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件下之V(BR)DSS值作为参考。2. 2.漏极电流其次考虑漏极电流的选择。基本原则为MOSFET实际工作环境中的最大周 期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的90%；漏极脉冲电流峰值不大 于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的90%即：IDmaXW90%*IDIDPUlSe<90%*IDP注2: 一般地，IDmaX及IDPUISe具有负温度系数，故应取器件在最大结温条件下 之IDmaX及IDPUlSe值作为参考。器件此参数的选择是极为不确定的一主要是 受工作环境，散热技术，器件其它参数(如导通电阻，热阻等)等相互制约 影响所致。最终的判定依据是结点温度(即如下第六条之“耗散功率约 束”)。根据经验，在实际应用中规格书目中之ID会比实际最大工作电流 大数倍，这是因为散耗功率及温升之限制约束。在初选计算时期还须根据 下面第六条的散耗功率约束不断调整此参数。建议初选于35倍左右 ID=(35)*IDmax。2. 3.驱动要求MOSFEF的驱动要求由其栅极总充电电量(Qg)参数决定。在满足其它参数 要求的情况下，尽量选择Qg小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择在保证 远离最大栅源电压(VGSS)前提下使Ron尽量小的电压值(一般使用器件规格书 中的建议值)2. 4.损耗及散热小的Ron值有利于减小导通期间损耗，小的Rth值可减小温度差(同样耗 散功率条件下)，故有利于散热。MOSFET的工作损耗基本可分为如下几部分：1>导通损耗Pon导通损耗指在MOSFET完全开启后负载电流(即漏源电流)1DS(On)(t)在 导通电阻RDS(on)上产生之压降造成的损耗。导通损耗计算：先通过计算得到IDS(On) 函数表达式并算出其有效值IDS(on)rms , 再通过如下电阻损耗计算式计算：Pon=IDS(on)rms2 X RDS(on) × K × Don说明：计算IDS(on)rms时使用的时期仅是导通时间Ton ,而不是整个工作周 期Ts ； RDS(On)会随IDS(On)(t)值和器件结点温度不同而有所不同，此时的 原则是根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的RDS(on值(即乘以规格书 提供的一个温度系数Ko2、截止损耗POff截止损耗，指在MOSFET完全截止后在漏源电压VDS(Off)应力下产生的 漏电流IDSS造成的损耗。截止损耗计算：先通过计算得到MOSFET截止时所承受的漏源电压VDS(Off),在查找器 件规格书提供之IDSS ,再通过如下公式计算：Poff=VDS(off × IDSS X(I-Don)说明：IDSS会依VDS(Off)变化而变化，而规格书提供的此值是在一近似 V(BR)DSS条件下的参数。如计算得到的漏源电压VDS(Off)很大以至接近 V(BR)DSS则可直接引用此值，如很小，则可取零值，即忽略此项。3、开启过程损耗开启过程损耗，指在MOSFET开启过程中逐渐下降的漏源电压 VDS(off.on(t与逐渐上升的负载电流(即漏源电流)1DS(Off交叉重叠部 分造成的损耗。开启过程损耗计算：开启过程VDS(off.on(t)与IDS(off.ont交叉波形如上图所示。首先须 计算或预计得到开启时刻前之VDS(Oftend)、开启完成后的IDS(OrLbeginning)即图示之 Ipl ,以及 VDS(off_ont)与 IDS(Off_on)(t)重 叠时间Tx o然后再通过如下公式计算：Poff-on= fs × f TXVDS(Off_on)(t) × ID(Off_on)(t) × dt实际计算中主要有两种假设一图(A)那种假设认为VDS(off.ont的 开始下降与ID(off-nt的逐渐上升同时发生；图(B)那种假设认为 VDS(off.on)(t的下降是从ID(Off上升到最大值后才开始。图 O 是 FLYBACK架构路中一 MOSFET实际测试到的波形，其更接近于(A)类假设。针对这两种假设延伸出两种计算公式:(A)类假设 Poff,on=1/6 × VDS(Off_end) × Ipl × tr × fs(B)类假设 Poff_on=l/2 × VDS(Off_end) × Ipl × (td(on+tr × fs (B)类假设可作为最恶劣模式的计算值。注3：图(C)的实际测试到波形可以看到开启完成后的IDS(OrLbeginning)>>Ipl (电源使用中Ipl参数往往是激磁电流的 初始 值)。叠加的电流波峰确切数值我们难以预计得到，其 跟电路架构和器件 参数有关。例如FLYBACK中 实际电流应是ItOtal=IdPI+Ia+Ib (Ia为次级 端整流二极管的反向恢 复电流感应回初极的电流值-即乘以匝比，Ib 为变压器 初级侧绕组层间寄生电容在MOSFET开关开通瞬间释放的电 流)。这个难以预计的数值也是造成此部分计算误差的主要原因之一。 4、关断过程损耗关断过程损耗。指在MOSFET关断过程中 逐渐上升的漏源电压 VDS(OrLoff) (t)与逐渐下降的漏源电流IDS(OrLOff)(t)的交叉重叠部分造成 的损耗。关断过程损耗计算：如上图所示，此部分损耗计算原理及方法跟Pofton类似。首先须计算或 预计得到关断完成后之漏源电压VDS(OfLbeginning)、关断时刻前的负载电流 IDS(OrLend)即图示之 Ip2 以及 VDS(OrLoff) (t)与 IDS(OrLOff)(t)重叠时间 Tx o然后再通过如下公式计算：Pofton=fs×/ TXVDS(On_offXt) X IDS(OrLOffxt) X dt 实际计算中，针对这两种假设延伸出两个计算公式： (A)类假设 Poff_on=l/6 X VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs (B)类假设 Poff_on=l/2 × VDS(OffJJeginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs(B)类假设可作为最恶劣模式的计算值。注4： IDS(OrLend)=IP2 ,电源使用中这一参数往往是激磁电流 的末端值。因 漏感等因素，MOSFET在关断完成后之VDSfoftbeginning)往往都有一 个很大的电压尖峰Vspike叠加其 上，此值可大致按经验估算。5、驱动损耗PgS驱动损耗，指栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗驱动损耗的计算：确定驱动电源电压Vgs后，可通过如下公式进行计算：Pgs= Vgs × Qg × fs注5： Qg为总驱动电量，可通过器件规格书查找得到。6、Coss电容的泄放损耗PdsCoss电容的泄放损耗,指MOS输出电容Coss截止期间储蓄的电场能于导 同期间在漏源极上的泄放损耗。Coss电容的泄放损耗计算：首先须计算或预计得到开启时刻前之VDS ,再通过如下公式进行计算：Pds=l2 X VDS(Off_end)2 X Coss X fs注6： Coss为MOSFET输出电容，一般可等于Cds ,此值可通过器件规格书 查找得到。7、体内寄生二极管正向导通损耗PCLf体内寄生二极管正向导通损耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流时 因正向压降造成的损耗。体内寄生二极管正向导通损耗计算：在一些利用体内寄生二极管进行载流的应用中(例如同步整流)，需要对此 部分之损耗进行计算。公式如下：Pd_f = IF × VDF × tx × fs其中：IF为二极管承载的电流量，VDF为二极管正向导通压降，tx为 一周期内二极管承载电流的时间。注7：会因器件结温及承载的电流大小不同而不同。可根据实际应用环境在其 规格书上查找到尽量接近之数值。8、体内寄生二极管反向恢复损耗PeLreCoVer体内寄生二极管反向恢复损耗，指MOS体内寄生二极管在承载正向电流 后因反向压致使的反向恢复造成的损耗。体内寄生二极管反向恢复损耗计算：这一损耗原理及计算方法与普通二极管的反向恢复损耗一样。公式如下：Pd_recover=VDR × Qrr × fs其中：VDR为二极管反向压降，Qrr为二极管反向恢复电量，由器件提 供之规格书中查找而得。MOS设计选型的几个基本原则建议初选之基本步骤：1、电压应力在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压VDS的选择。在此上的基本 原则为MOSFET实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格 书中标称漏源击穿电压的90% o即：VDS_peak 90%* V(BR)DSS注：一般地，V(BR)DSS具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件 下之V(BR)DSS值作为参考。2、漏极电流其次考虑漏极电流的选择。基本原则为MOSFET实际工作环境中的最大 周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的90% ；漏极脉冲电流峰值 不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的90%即：ID_max 90% * IDID_