降低開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)損耗的原理

基于電感的開(kāi)關(guān)電源（SM-PS）包含一個(gè)功率開(kāi)關(guān)，用于控制輸入電源流經(jīng)電感的電流。大多數開(kāi)關(guān)電源設計選擇MOSFET作開(kāi)關(guān)（圖1a中Q1），其主要優(yōu)點(diǎn)是MOSFET在導通狀態(tài)具有相對較低的功耗。

MOSFET完全打開(kāi)時(shí)的導通電阻（RDS(ON)）是一個(gè)關(guān)鍵指標，因為MOSFET的功耗隨導通電阻變化很大。開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)時(shí)，MOSFET的功耗為ID2與RDS(ON)的乘積。如果RDS(ON)為0.02W，ID為1A，則MOSFET功耗為0.02*12=0.02W。功率MOSFET的另一功耗源是柵極電容的充放電。這種損耗在高開(kāi)關(guān)頻率下非常明顯，而在穩態(tài)（MOSFET連續導通）情況下，MOSFET柵極阻抗極高，典型的柵極電流在納安級，因此，這時(shí)柵極電容引起的功耗則微不足道。轉換效率是SMPS的重要指標，須選擇盡可能低的RDS(ON)。MOSFET制造商也在堅持不懈地開(kāi)發(fā)低導通電阻的MOSFET，以滿(mǎn)足這一需求。

隨著(zhù)蜂窩電話(huà)、PDA及其他電子設備的體積要求越來(lái)越小，對電子器件，包括電感、電容、MOSFET等的尺寸要求也更加苛刻。減小SMPS體積的通用方法是提高它的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率高容許使用更小的電感、電容，使外部元件尺寸最小。

不幸的是，提高SMPS的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降低轉換效率，即使MOSFET的導通電阻非常小。工作在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，MOSFET的動(dòng)態(tài)特性，如柵極充放電和開(kāi)關(guān)時(shí)間變得更重要?？梢钥吹皆谳^高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，高導通電阻的MOSFET反而可以提高SMPS的效率。為了理解這個(gè)現象就不能只看MOSFET的導通電阻。下面討論了N溝道增強型MOSFET的情況，其它類(lèi)型的MOSFET具有相同結果。

圖1.一個(gè)典型的升壓轉換器（a）利用MOSFET控制流經(jīng)電感至地。

當溝道完全打開(kāi)，溝道電阻(RDS(ON))降到最低；如果降低柵極電壓，溝道電阻則升高，直到幾乎沒(méi)有電流通過(guò)漏極、源極，這時(shí)MOSFET處于斷開(kāi)狀態(tài)?？梢灶A見(jiàn)，溝道的體積愈大，導通電阻愈小。同時(shí)，較大的溝道也需要較大的控制柵極。由于柵極類(lèi)似于電容，較大的柵極其電容也較大，這就需要更多的電荷來(lái)開(kāi)關(guān)MOSFET。同時(shí)，較大的溝道也需要更多的時(shí)間使MOSFET打開(kāi)或關(guān)閉。工作在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，這些特性對轉換效率的下降有重要影響。

在低開(kāi)關(guān)頻率或低功率下，對SMPSMOSFET的功率損耗起決定作用的是RDS(ON)，其它非理想參數的影響通常很小，可忽略不計。而在高開(kāi)關(guān)頻率下，這些動(dòng)態(tài)特性將受到更多關(guān)注，因為這種情況下它們是影響開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。

圖2.所示簡(jiǎn)單模型顯示了N溝道增強型MOSFET的基本組成，流經(jīng)漏極與源極之間溝道的電流受柵極電壓控制。

MOSFET柵極類(lèi)似于電容極板，對柵極提供一個(gè)正電壓可以提高溝道的場(chǎng)強，產(chǎn)生低導通電阻路徑，提高溝道中的帶電粒子的流通。

對SMPS的柵極電容充電將消耗一定的功率，斷開(kāi)MOSFET時(shí)，這些能量通常被消耗到地上。這樣，除了消耗在MOSFET導通電阻的功率外，SMPS的每一開(kāi)關(guān)周期都消耗功率。顯然，在給定時(shí)間內柵極電容充放電的次數隨開(kāi)關(guān)頻率而升高，功耗也隨之增大。開(kāi)關(guān)頻率非常高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì )超過(guò)MOSFET導通電阻的損耗。