MOS管損耗的8個組成部分
在器件設(shè)計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進行先期計算(所謂先期計算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作電路的計算值和預(yù)計波形，套用公式進行理論上的近似計算)。
能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在能耗，雖然實際應(yīng)用中無法獲得100%的轉(zhuǎn)換效率，但是，一個高質(zhì)量的電源效率可以達到非常高的水平，效率接近95%。絕大多數(shù)電源IC 的工作效率可以在特定的工作條件下測得，數(shù)據(jù)資料中給出了這些參數(shù)。一般廠商會給出實際測量的結(jié)果，但我們只能對我們自己的數(shù)據(jù)擔保。圖1 給出了一個SMPS 降壓轉(zhuǎn)換器的電路實例，轉(zhuǎn)換效率可以達到97%，即使在輕載時也能保持較高效率。采用什么秘訣才能達到如此高的效率?我們最好從了解SMPS 損耗的公共問題開始，開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET 和二極管)，另外小部分損耗來自電感和電容。但是，如果使用非常廉價的電感和電容(具有較高電阻)，將會導(dǎo)致?lián)p耗明顯增大。選擇IC 時，需要考慮控制器的架構(gòu)和內(nèi)部元件，以期獲得高效指標。例如，圖1 采用了多種方法來降低損耗，其中包括：同步整流，芯片內(nèi)部集成低導(dǎo)通電阻的MOSFET，低靜態(tài)電流和跳脈沖控制模式。
MOSFET 的工作損耗基本可分為如下幾部分：
1、導(dǎo)通損耗Pon
導(dǎo)通損耗,指在 MOSFET 完全開啟后負載電流(即漏源電流) IDS(on)(t) 在導(dǎo)通電阻 RDS(on) 上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。
導(dǎo)通損耗計算：
先通過計算得到 IDS(on)(t) 函數(shù)表達式并算出其有效值 IDS(on)rms ，再通過如下電阻損耗計算式計算：
Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don
說明：
計算 IDS(on)rms 時使用的時期僅是導(dǎo)通時間 Ton ，而不是整個工作周期 Ts ;RDS(on)會隨 IDS(on)(t) 值和器件結(jié)點溫度不同而有所不同，此時的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預(yù)計工作條件下的 RDS(on) 值(即乘以規(guī)格書提供的一個溫度系數(shù) K )。
2、截止損耗Poff
截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源電壓 VDS(off) 應(yīng)力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS 造成的損耗。
截止損耗計算：
先通過計算得到 MOSFET 截止時所承受的漏源電壓 VDS(off) ，在查找器件規(guī)格書提供之 IDSS ，再通過如下公式計算：
Poff=VDS(off) × IDSS ×( 1-Don )
說明：
IDSS 會依 VDS(off) 變化而變化，而規(guī)格書提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 條件下的參數(shù)。如計算得到的漏源電壓 VDS(off) 很大以至接近 V(BR)DSS 則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項。
3、開啟過程損耗
開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源電壓 VDS(off_on)(t) 與逐漸上升的負載電流(即漏源電流) IDS(off_on)(t) 交叉重疊部分造成的損耗。
開啟過程損耗計算：
開啟過程 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上圖所示。首先須計算或預(yù)計得到開啟時刻前之 VDS(off_end) 、開啟完成后的 IDS(on_beginning) 即圖示之 Ip1 ，以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時間 Tx 。然后再通過如下公式計算：
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt
實際計算中主要有兩種假設(shè) — 圖 (A) 那種假設(shè)認為 VDS(off_on)(t) 的開始下降與 ID(off_on)(t) 的逐漸上升同時發(fā)生;圖 (B) 那種假設(shè)認為 VDS(off_on)(t) 的下降是從 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才開始。圖 (C) 是 FLYBACK 架構(gòu)路中一 MOSFET 實際測試到的波形，其更接近于 (A) 類假設(shè)。針對這兩種假設(shè)延伸出兩種計算公式：
(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs
(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs
(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。
說明：
圖 (C) 的實際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 (電源使用中 Ip1 參數(shù)往往是激磁電流的 初始值)。疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計得到，其 跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關(guān)。例如 FLYBACK 中 實際電流應(yīng)是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級端整流二極管的反向恢 復(fù)電流感應(yīng)回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級側(cè)繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關(guān)開通瞬間釋放的 電流 ) 。這個難以預(yù)計的數(shù)值也是造成此部分計算誤差的 主要原因之一。
4、關(guān)斷過程損耗
關(guān)斷過程損耗。指在 MOSFET 關(guān)斷過程中 逐漸上升的漏源電壓 VDS(on_off) (t) 與逐漸 下降的漏源電流 IDS(on_off)(t) 的交叉重 疊部分造成的損耗。
關(guān)斷過程損耗計算：
如上圖所示，此部分損耗計算原理及方法跟 Poff_on 類似。首先須計算或預(yù)計得到關(guān)斷完成后之漏源電壓 VDS(off_beginning) 、關(guān)斷時刻前的負載電流 IDS(on_end) 即圖示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 與 IDS(on_off)(t) 重疊時間 Tx 。
然后再通過 如下公式計算：
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt
實際計算中，針對這兩種假設(shè)延伸出兩個計算公式：
(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs
(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs
(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。
說明：
IDS(on_end) =Ip2 ，電源使用中這一參數(shù)往往是激磁電流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關(guān)斷完成后之 VDS(off_beginning) 往往都有一個很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗估算。
5、驅(qū)動損耗Pgs
驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動電源進行驅(qū)動造成之損耗
驅(qū)動損耗的計算：
確定驅(qū)動電源電壓 Vgs 后，可通過如下公式進行計算：
Pgs= Vgs × Qg × fs
說明：
Qg 為總驅(qū)動電量，可通過器件規(guī)格書查找得到。
6、Coss電容的泄放損耗Pds
Coss電容的泄放損耗,指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場能于導(dǎo)同期間在漏源極上的泄放損耗。
Coss電容的泄放損耗計算：
首先須計算或預(yù)計得到開啟時刻前之 VDS ，再通過如下公式進行計算：
Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs
說明：
Coss 為 MOSFET 輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過器件規(guī)格書查找得到。
7、體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f
體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗,指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流時因正向壓降造成的損耗。
體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計算：
在一些利用體內(nèi)寄生二極管進行載流的應(yīng)用中(例如同步整流)，需要對此部分之損耗進行計算。公式如下：
Pd_f = IF × VDF × tx × fs
其中：IF 為二極管承載的電流量， VDF 為二極管正向?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載電流的時間。
說明：
會因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同?？筛鶕?jù)實際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之數(shù)值。
8、體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover
體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復(fù)造成的損耗。
體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗計算：
這一損耗原理及計算方法與普通二極管的反向恢復(fù)損耗一樣。公式如下：
Pd_recover=VDR × Qrr × fs
其中：VDR 為二極管反向壓降， Qrr 為二極管反向恢復(fù)電量，由器件提供之規(guī)格書中查找而得。
MOS設(shè)計選型的幾個基本原則
建議初選之基本步驟：
1、電壓應(yīng)力
在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。即：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS值作為參考。
2、漏極電流
其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的 90% ;漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有負溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)(如導(dǎo)通電阻，熱阻等)等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度(即如下第六條之“耗散功率約束”)。根據(jù)經(jīng)驗，在實際應(yīng)用中規(guī)格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數(shù)倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。
3、驅(qū)動要求
MOSFEF 的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量( Qg )參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓( VGSS )前提下使 Ron 盡量小的電壓值(一般使用器件規(guī)格書中的建議值)
4、損耗及散熱
小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差(同樣耗散功率條件下)，故有利于散熱。
5、損耗功率初算
MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
詳細計算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復(fù)損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。
6、耗散功率約束
器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：
PD,max ≤ ( Tj,max - Tamb ) / Rθj-a
其中 Rθj-a 是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。
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