降低开关电源开关损耗的原理

作者：时间：2012-02-08来源：网络收藏

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，功率损耗主要发生在开关状态转换时，而不是MOSFET开通时。

MOSFET的导通和关断需要一定的过渡时间，以对沟道充电，产生电流或对沟道放电，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增加，导致总功耗增加。例如，考虑一个SMPS工作在50%占空比500kHz，如果开启时间和关闭时间各为0.1s，那么导通时间和断开时间各为0.4s。如果开关频率提高到1MHz，开启时间和关闭时间仍为0.1s，导通时间和断开时间则为0.15s。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产生的功耗可以近似为：

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