正确选择MOSFET以优化电源效率 (mosfet选型要考虑哪些因素)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}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。本文将讨论如何平衡上管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。

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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：1.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)。2.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。3.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：1.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。2.在变换器稳态*作时，至少运行一个开关周期，执行瞬态*。3.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*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*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mΩ的个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，V至3.3V、A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：最佳效率的比较结语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。本文介绍了如何通过精确的数学建模来选择合适的HS-FET和LS-FET比率，从而实现最优电源效率。如需了解更多信息，请参阅MPS的MOSFET驱动器和电源解决方案。