如何降低MOSFET損耗并提升EMI性能

　　摘要： 本文主要闡述了MOSFET在模塊電源中的應用，分析了MOSFET損耗特點(diǎn)，提出了優(yōu)化方法;并且闡述了優(yōu)化方法與EMI之間的關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞：MOSFET 損耗分析 EMI　　金升陽(yáng)R3

　　一、引言

　　MOSFET作為主要的開(kāi)關(guān)功率器件之一，被大量應用于模塊電源。了解MOSFET的損耗組成并對其分析，有利于優(yōu)化MOSFET損耗，提高模塊電源的功率;但是一味的減少MOSFET的損耗及其他方面的損耗，反而會(huì )引起更嚴重的EMI問(wèn)題，導致整個(gè)系統不能穩定工作。所以需要在減少MOSFET的損耗的同時(shí)需要兼顧模塊電源的EMI性能。

　　二、開(kāi)關(guān)管MOSFET的功耗分析

　　MOSFET的損耗主要有以下部分組成：1.通態(tài)損耗;2.導通損耗;3.關(guān)斷損耗;4.驅動(dòng)損耗;5.吸收損耗;隨著(zhù)模塊電源的體積減小，需要將開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步提高，進(jìn)而導致開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗的增加，例如300kHz的驅動(dòng)頻率下，開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗的比例已經(jīng)是總損耗主要部分了。

　　MOSFET導通與關(guān)斷過(guò)程中都會(huì )產(chǎn)生損耗，在這兩個(gè)轉換過(guò)程中，漏極電壓與漏極電流、柵源電壓與電荷之間的關(guān)系如圖1和圖2所示，現以導通轉換過(guò)程為例進(jìn)行分析：

　　t0-t1區間：柵極電壓從0上升到門(mén)限電壓Uth，開(kāi)關(guān)管為導通，無(wú)漏極電流通過(guò)這一區間不產(chǎn)生損耗;

　　t1-t2區間：柵極電壓達到Vth，漏極電流ID開(kāi)始增加，到t2時(shí)刻達到最大值，但是漏源電壓保持截止時(shí)高電平不變，從圖1可以看出，此部分有VDS與ID有重疊，MOSFET功耗增大;

　　t2-t3區間：從t2時(shí)刻開(kāi)始，漏源電壓VDS開(kāi)始下降，引起密勒電容效應，使得柵極電壓不能上升而出現平臺，t2-t3時(shí)刻電荷量等于Qgd，t3時(shí)刻開(kāi)始漏極電壓下降到最小值;此部分有VDS與ID有重疊，MOSFET功耗增大

　　t3-t4區間：柵極電壓從平臺上升至最后的驅動(dòng)電壓(模塊電源一般設定為12V)，上升的柵壓使導通電阻進(jìn)一步減少，MOSFET進(jìn)入完全導通狀態(tài);此時(shí)損耗轉化為導通損耗。

　　關(guān)斷過(guò)程與導通過(guò)程相似，只不過(guò)是波形相反而已;關(guān)于MOSFET的導通損耗與關(guān)斷損耗的分析過(guò)程，有很多文獻可以參考，這里直接引用《張興柱之MOSFET分析》的總結公式如下：

　　備注： 為上升時(shí)間， 為開(kāi)關(guān)頻率， 為下降時(shí)間，為柵極電荷，為柵極驅動(dòng)電壓 為MOSFET體二極管損耗。

　　三、MOSFET的損耗優(yōu)化方法及其利弊關(guān)系

　　3-1. 通過(guò)降低模塊電源的驅動(dòng)頻率減少MOSFET的損耗[稍微提一下EMI問(wèn)題及其解決方案]

　　從MOSFET的損耗分析可以看出，開(kāi)關(guān)電源的驅動(dòng)頻率越高，導通損耗、關(guān)斷損耗和驅動(dòng)損耗會(huì )相應增大，但是高頻化可以使得模塊電源的變壓器磁芯更小，模塊的體積變得更小，所以可以通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率去優(yōu)化開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗和驅動(dòng)損耗，但是高頻化卻會(huì )引起嚴重的EMI問(wèn)題。金升陽(yáng)DC/DC R3產(chǎn)品，采用跳頻控制方法，在輕負載情況下，通過(guò)降低模塊電源的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低驅動(dòng)損耗，從而進(jìn)一步提高輕負載條件下的效率，使得系統在待機工作下，更節能，進(jìn)一步提高蓄電池供電系統的工作時(shí)間，并且還能夠降低EMI的輻射問(wèn)題;

　　3-2.通過(guò)降低、來(lái)減少MOSFET的損耗

　　典型的小功率模塊電源(小于50W)大多采用的電路拓撲結構為反激形式，典型的控制電路如圖3所示;從MOSFET的損耗分析還可以知道：與開(kāi)通損耗成正比、與關(guān)斷損耗成正比;所以可以通過(guò)減少 、來(lái)減少MOSFET的損耗，通常情況下，可以減小MOSFET的驅動(dòng)電阻Rg來(lái)減少、時(shí)間，但是此優(yōu)化方法卻帶來(lái)嚴重的EMI問(wèn)題;以金升陽(yáng)URB2405YMD-6WR3產(chǎn)品為例來(lái)說(shuō)明此項問(wèn)題：

　　1)URB2405YMD-6WR3采用10Ω的MOSFET驅動(dòng)電阻，裸機輻射測試結果如下：

　　2)URB2405YMD-6WR3采用0Ω的驅動(dòng)電阻，裸機輻射測試結果如下：

　　從兩種不同的驅動(dòng)電阻測試結果來(lái)看，雖然都能夠通過(guò)EN55022的輻射騷擾度的CLASS A等級，但是采用0歐姆的驅動(dòng)電阻，在水平極化方向測試結果的余量是不足3dB的，該方案設計不能被通過(guò)。

　　3-3.通過(guò)降低吸收電路損耗來(lái)減少損耗

　　在模塊電源的設計過(guò)程中，變壓器的漏感總是存在的，采用反激拓撲式結構，往往在MOSFET截止過(guò)程中，MOSFET的漏極往往存在著(zhù)很大的電壓尖峰，一般情況下，MOSFET的電壓設計余量是足夠承受的，為了提高整體的電源效率，一些電源廠(chǎng)家是沒(méi)有增加吸收電路(吸收電路如圖3標注①RCD吸收電路和②RC吸收電路)來(lái)吸收尖峰電壓的。但是，不注意這些吸收電路的設計往往也是導致EMI設計不合格的主要原因。以金升陽(yáng)URF2405P-6WR3的吸收電路(采用如圖3中的②RC吸收電路)為例：

　　1)驅動(dòng)電阻Rg為27Ω，無(wú)RC吸收電路，輻射騷擾度測試結果如下：

　　2)驅動(dòng)電阻為27Ω;吸收電路為電阻R和C 5.1Ω 470pF，輻射騷擾度測試結果如下：

　　從兩種不同的吸收電路方案測試結果來(lái)看，不采用吸收電路的方案，是不能通過(guò)EN55022輻射騷擾度的CLASS A等級，而采用吸收電路，則可以解決輻射騷擾度實(shí)驗不通過(guò)的問(wèn)題，通過(guò)不同的RC組合方式可進(jìn)一步降低輻射騷擾。

　　四、總結

　　MOSFET的功耗優(yōu)化工作實(shí)際上是一個(gè)系統工程，部分優(yōu)化方案甚至會(huì )影響EMI的特性變化。上述案例中，金升陽(yáng)R3系列產(chǎn)品將節能環(huán)保的理念深入到電源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，很好地平衡了電源整體效率與EMI特性，從而進(jìn)一步優(yōu)化了電源參數。將電源參數進(jìn)一步優(yōu)化，更能兼容客戶(hù)系統，并發(fā)揮真正的電子系統“心臟”作用，源源不斷的輸送能量。