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  • MOS管知識-MOSFET耗散功率計算圖文詳解
    • 發(fā)布時間:2020-11-14 16:15:52
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    MOS管知識-MOSFET耗散功率計算圖文詳解
    計算MOSFET的耗散功率
    為了確定一個MOSFET是否適合于某特定應(yīng)用,你必須計算一下其功率耗散,它主要包含阻性和開關(guān)損耗兩部分:
    MOSFET耗散功率
    由于MOSFET耗散功率很大程度上依賴于它的導(dǎo)通電阻(Rds(ON),計算RDs(ON)看上去是一個很好的出發(fā)點(diǎn)。但是MOSFET的Rds(ON)與它的結(jié)溫(Tj)有關(guān)。話說回來,Tj 又依賴于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(θjA)。這樣,似乎很難找到一個著眼點(diǎn)。由于功率耗散的計算涉及到若干個相互依賴的因素,我們可以采用一種迭代過程獲得我們所需要的結(jié)果。
    MOSFET耗散功率
    迭代過程始于為每個MOSFET假定一個結(jié)溫,然后,計算每個MOSFET各自的功率耗散和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境氣溫達(dá)到或略高于期望的機(jī)殼內(nèi)最高溫度時,這個過程便結(jié)束了。有些人總試圖使這個計算所得的環(huán)境溫度盡可能高,但通常這并不是一個好主意。
    這樣作就要求采用更昂貴的MOSFET,在MOSFET下鋪設(shè)更多的銅膜,或者要求采用一個更大、更快速的風(fēng)扇產(chǎn)生氣流一所有這些都不是我們所期望的。從某種意義上講,先假定一個MOSFET結(jié)溫,然后再計算環(huán)境溫度,這是一種逆向的考慮方法。畢竟環(huán)境溫度決定了MOSFET的結(jié)溫一而不是相反。
    不過,從一個假定的結(jié)溫開始計算要比從環(huán)境溫度開始容易一些。對于開關(guān)MOSFET和同步整流器,我們可以選擇一個最大允許的管芯結(jié)溫(TJ(HOT)作為迭代過程的出發(fā)點(diǎn)。
    多數(shù)MOSFET的數(shù)據(jù)手冊只規(guī)定了+25°C下的最大Rds(ON),不過最近有些產(chǎn)品也提供了+125'C下的最大值。MOSFET的RDS(ON)隨著溫度而增加,典型溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C之間。
    MOSFET耗散功率
    如果拿不準(zhǔn),可以用一個較為保守的溫度系數(shù)和MOSFET的+25°C規(guī)格(或+125°C規(guī)格,如果有的話)近似估算在選定的TJ(HOT)下的最大Rds(ON):
    MOSFET耗散功率
    其中,Rds(ON)SPEC 是計算所用的MOSFET導(dǎo)通電阻,TsPEC 是規(guī)定Rds(ON)SPEc時的溫度。利用計算出的Rds(ON)HOT,可以確定同步整流器和開關(guān)MOSFET的功率消耗,具體做法如下所述,我們將討論如何計算各個MOSFET在給定的管芯溫度下的功率消耗,以及完成迭代過程的后續(xù)步驟(整個過程詳述于圖1)。
    同步整流器的功率消耗
    除最輕負(fù)載以外,各種情況下同步整流器MOSFET的漏源電壓在打開和關(guān)閉過程中都會被續(xù)流二極管鉗位。因此,同步整流器幾乎沒有開關(guān)損耗,它的功率消耗很容易計算。只需要考慮阻性損耗即可。最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流器工作在最大占空比時,也就是當(dāng)輸人電壓達(dá)到最大時。
    利用同步整流器的RDS(ON)HOT和工作占空比,通過歐姆定律,我們可以近似計算出它的功率消耗:
    MOSFET耗散功率
    開關(guān)MOSFET的功率耗散
    開關(guān)MOSFET的阻性損耗計算和同步整流器非常相似,也要利用它的占空比(不同于前者)和
    MOSFET耗散功率
    開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗計算起來比較困難,因?yàn)樗蕾囉谠S多難以量化并且通常沒有規(guī)格的因素,這些因素同時影響到打開和關(guān)閉過程。我們可以首先用以下粗略的近似公式對某個MOSFET進(jìn)行評價,然后通過實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行驗(yàn)證:
    MOSFET耗散功率
    其中CRss是MOSFET的反向傳輸電容(數(shù)據(jù)手冊中的一個參數(shù)),fsw 為開關(guān)頻率,IGATE是MOSFET的柵極驅(qū)動器在MOSFET處于臨界導(dǎo)通(VGs位于柵極充電曲線的平坦區(qū)域)時的吸收/源出電流。一旦基于成本因素將選擇范圍縮小到了特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差別很大),我們就可以在這一代的器件中找到一個能夠使功率耗散最小的器件。
    這個器件應(yīng)該具有均衡的阻性和開關(guān)損耗。使用更小(更快)的器件所增加的阻性損耗將超過它在開關(guān)損耗方面的降低,而更大(Rds(ON)更低)的器件所增加的開關(guān)損耗將超過它對于阻性損耗的降低。如果VIN是變化的,需要在VIN(MAX)和VIN(MIN)下分別計算開關(guān)MOSFET的功率耗散。
    MOSFET功率耗散的最壞情況可能會出現(xiàn)在最低或最高輸入電壓下。該耗散功率是兩種因素之和:在VIN(MIN)時達(dá)到最高的阻性耗散(占空比較高),以及在VIN(MAx)時達(dá)到最高的開關(guān)損耗(由于VIN2項的緣故)。一個好的選擇應(yīng)該在VIN的兩種極端情況下具有大致相同的耗散,并且在整個VIN范圍內(nèi)保持均衡的阻性和開關(guān)損耗。
    如果損耗在VIN(MIN)時明顯高出,則阻性損耗起主導(dǎo)作用。這種情況下,可以考慮用一個更大一點(diǎn)的開關(guān)MOSFET(或?qū)⒁粋€以上的多個管子相并聯(lián))以降低RDs(ON).但如果在VIN(MAx)時損耗顯著高出,則應(yīng)該考慮降低開關(guān)MOSFET的尺寸(如果是多管并聯(lián)的話,或者去掉一個MOSFET),以便使其開關(guān)速度更快一點(diǎn)。
    如果阻性和開關(guān)損耗已達(dá)平衡,但總功耗仍然過高,有多種辦法可以解決:改變問題的定義。例如,重新定義輸人電壓范圍。
    改變開關(guān)頻率以便降低開關(guān)損耗,有可能使用更大一點(diǎn)的、RdS(ON)更低的開關(guān)MOSFET。
    增加?xùn)艠O驅(qū)動電流,有可能降低開關(guān)損耗。MOSFET自身的內(nèi)部柵極電阻最終限制了柵極驅(qū)動電流,實(shí)際上限制了這種方法的有效性。
    采用一個改進(jìn)技術(shù)的MOSFET,以便同時獲得更快的開關(guān)速度、更低的RDS(ON)和更低的柵極電阻。
    脫離某個給定的條件對MOSFET的尺寸作更精細(xì)的調(diào)整是不大可能的,因?yàn)槠骷倪x擇范圍是有限的。選擇的底線是MOSFET在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。
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