選擇合適的MOS管提高電源的工作效率

本期內(nèi)容

效率優(yōu)化一直是電源設(shè)計中的一項重要工作，高效率不僅能夠降低電源轉(zhuǎn)換過程中的損耗，節(jié)約能源，還能減少發(fā)熱，減小電源的體積。

今天我們就為大家分享——在電源設(shè)計過程中，如何恰當(dāng)選擇上下 MOS 管的比例來提高電源的工作效率。

MOS 選擇的困惑

如何選擇合適的 MOS 管內(nèi)阻值一直是電源工程師困擾的問題。

內(nèi)阻選多少才好?

上下管阻值如何分配才能是效率達(dá)到最優(yōu)?

在芯片的設(shè)計中，MOS 管內(nèi)阻的分配也是非常重要的。往往能給 MOS 管的空間就這么大，怎么來合理地分割上下管 MOS 的大小，來優(yōu)化效率也是一件頭痛的事情。

MOS 的結(jié)構(gòu)和損耗組成

首先讓我們來了解一下 MOS 管的結(jié)構(gòu)。

MOS 管是個多元集成結(jié)構(gòu)，即一個器件由多個MOSFET單元并聯(lián)組成。MOS 管導(dǎo)通時表現(xiàn)為電阻特性，且存在三個寄生電容。所以我們可以把 MOS 單元理解為電容和電阻的并聯(lián)體。MOS 晶元體并聯(lián)數(shù)量越多，導(dǎo)通電阻值就會變得越小，但寄生電容卻會變得越大。小的導(dǎo)通電阻帶來低的導(dǎo)通損耗，但會讓寄生電容變得更大，從而增加開關(guān)損耗。

所以選擇 MOS 最重要的還是要弄清楚導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，找到一個最佳平衡點。

怎么找呢?

板上測試，雖然準(zhǔn)確，但需要非常大的工作量，并不現(xiàn)實。

建立精確的數(shù)學(xué)模型來分析損耗是一個簡單又快捷的方法。

01導(dǎo)通損耗

首先，我們計算導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗的計算相對簡單，流過 MOS 的電流并考慮紋波電流就可算出單周期上的導(dǎo)通損耗。為了模型的準(zhǔn)確性，必須要考慮導(dǎo)通內(nèi)阻與溫度之間的修正關(guān)系。MOS 內(nèi)阻不是一個固定值，會隨著溫度的升高而變大。

02開關(guān)損耗中的寄生參數(shù)

開關(guān)損耗的計算相對復(fù)雜，為了得到準(zhǔn)確的開關(guān)損耗模型，必須考慮下面的兩點因素：

一個是驅(qū)動與主回路共享的寄生電感;

一個是 MOS 寄生電容在不同 DS 電壓下的非線性容值。

03開關(guān)損耗中的開通損耗

開通損耗分為三個階段：

第一階段，上管 MOS 開啟過程，上管的 DS 電壓開始下降，DS 電流開始上升的過程，直到上管 Vds(top) 電壓降到0或上管 Itop 電流上升到輸出電流 Io 值為止結(jié)束;

第二階段，反向恢復(fù)過程，這個階段到 Itop 到達(dá)峰值點結(jié)束，之后下管開始建立電壓;

第三階段，震蕩過程，直到上管 Itop 電流不再波動時結(jié)束。

04開關(guān)損耗中的關(guān)斷損耗

關(guān)斷損耗分為兩個階段：

第一階段，Vds 電壓上升和 Ids 電流下降階段，直到 Ids 電流降到0時該階段結(jié)束;

第二階段，震蕩過程，直到 Vds 電壓不再震蕩為止。

數(shù)學(xué)模型和分析驗證

了解清楚了電路工作過程的各個損耗后，我們就可以建立數(shù)學(xué)模型了。首先設(shè)定所需的電路參數(shù)值和上面分析的 MOS 管參數(shù)值及其非線性參數(shù)補償值;然后按時間軸變化描述出各個開關(guān)階段的電壓電流波形;再對電壓電流波形做積分就可得到 MOS 管的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

模型有了，我們接下來驗證一下模型的準(zhǔn)確性，將板子上實際測得的效率曲線和模型的計算結(jié)果做對比。計算和測試的效率誤差基本上控制在0.5個百分點以內(nèi)。模型是準(zhǔn)確的。

基于數(shù)學(xué)模型工具的 MOS 選擇

在 MOS 的設(shè)計上可以放飛自我了。

我們以10個 100m? 內(nèi)阻的 MOS 單晶元為整體，用模型來計算不同配比下的效率曲線，右邊的比例代表單晶元的數(shù)量比例。通過曲線的對比，我們可以很直觀的得出3：7的 MOS 管配比是最適合12V轉(zhuǎn)3.3V，10A 的應(yīng)用規(guī)格。從這個效率曲線簇中我們也可以發(fā)現(xiàn)，同樣單位數(shù)量的 MOS，不同的比例分配會得到不同的效率曲線，找到這個最優(yōu)配比，讓你的效率曲線最優(yōu)化。

通過模型，我們還可以找到 MOS 管的最優(yōu)內(nèi)阻值。我們不限定 MOS 管的并聯(lián)個數(shù)，直接按內(nèi)阻從小到大來計算后可得到損耗關(guān)于上下管內(nèi)阻的三維立體圖，損耗的最低點也就是我們效率的最高點。從圖中可以看出，MOS 管的內(nèi)阻并不是越小越好，不同的規(guī)格要求有不同的最優(yōu)內(nèi)阻匹配點。

我們再做個橫向比較，同樣的輸入輸出規(guī)格，不同的輸出電流點，最優(yōu)的配比也是不一樣的。所以我們要根據(jù)電路的實際應(yīng)用規(guī)格和要求來優(yōu)化自己的 MOS 配比。

總結(jié)

MOS 的選擇對于電路效率的優(yōu)化非常重要。

精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型可以讓 MOS 管的選擇設(shè)計變的簡單。為了得到準(zhǔn)確的模型，必須考慮電路的這三個非線性寄生參數(shù)。

本期 MPS 電源小課堂為大家介紹了如何通過準(zhǔn)確的建模來選擇合適的 MOS 管，從而讓你的電源達(dá)到最優(yōu)化的效率曲線。

審核編輯：湯梓紅