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大功坦白流稳压电源MOS的8大消耗和设计选型你都理解吗?

MOS管消耗的8个构成局部

大功率直流稳压电源器件设计选择进程中需求对 MOSFET 的任务进程消耗停止先期盘算(所谓先期盘算是指在没可以测试各任务波形的状况下,应用大功坦白流稳压电源器件规格书提供的参数及任务电路的盘算值和估计波形,套用公式停止实际上的类似盘算)。

MOSFET 的任务消耗根本可分为如下几局部:

1、导通消耗Pon

导通消耗,指在 MOSFET 完全开启后负载电流(即漏源电流) IDS(on)(t) 在导通电阻 RDS(on) 上发生之压降形成的消耗。

导通消耗盘算

先经过盘算失掉 IDS(on)(t) 函数表达式并算出其无效值 IDS(on)rms ,再经过如下电阻消耗盘算式盘算:

Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don

阐明

盘算 IDS(on)rms 时运用的时期仅是导通工夫 Ton ,而不是整个任务周期 Ts ;RDS(on)会随 IDS(on)(t) 值和大功坦白流稳压电源器件结点温度差别而有所差别,此时的准绳是依据规格书查找只管即便接近估计任务条件下的 RDS(on) 值(即乘以规格书提供的一个温度系数 K )。

2、停止消耗Poff

停止消耗,指在 MOSFET 完全停止后在漏源电压 VDS(off) 应力下发生的泄电流 IDSS 形成的消耗。

停止消耗盘算

先经过盘算失掉 MOSFET 停止时所接受的漏源电压 VDS(off) ,在查找大功坦白流稳压电源器件规格书提供之 IDSS ,再经过如下公式盘算:

Poff=VDS(off) × IDSS ×( 1-Don )

阐明

IDSS 会依 VDS(off) 变革而变革,而规格书提供的此值是在一类似 V(BR)DSS 条件下的参数。如盘算失掉的漏源电压 VDS(off) 很大以致靠近 V(BR)DSS 则可间接援用此值,如很小,则可取零值,即疏忽此项。

3、开启进程消耗

开启进程消耗,指在 MOSFET 开启进程中逐步降落的漏源电压 VDS(off_on)(t) 与逐步上升的负载电流(即漏源电流) IDS(off_on)(t) 穿插堆叠局部形成的消耗。

开启进程消耗盘算

开启进程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 穿插波形如上图所示。起首须盘算或估计失掉开启时辰前之 VDS(off_end) 、开启完成后的 IDS(on_beginning) 即图示之 Ip1 ,以及 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 堆叠工夫 Tx 。然后再经过如下公式盘算:

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt

实践盘算中次要有两种假定 — 图 (A) 那种假定以为 VDS(off_on)(t) 的开端降落与 ID(off_on)(t) 的逐步上升同时发作;图 (B) 那种假定以为 VDS(off_on)(t) 的降落是从 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才开端。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实践测试到的波形,其更靠近于 (A) 类假定。针对这两种假定延伸出两种盘算公式:

(A) 类假定 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs
(B) 类假定 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs
(B) 类假定可作为最恶劣形式的盘算值。 

阐明:

图 (C) 的实践测试到波形可以看到开启完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 (电源运用中 Ip1 参数每每是激磁电流的 初始值)。叠加的电流波峰确切数值我们难以估计失掉,其 跟电路架谈判大功坦白流稳压电源器件参数有关。比方 FLYBACK 中 实践电流应 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 为次级端整流二极管的反向恢 来电流感到回初极的电流值 -- 即乘以匝比, Ib 为变压器 低级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关守旧霎时开释的 电流 ) 。这个难以估计的数值也是形成此局部盘算偏差的 次要缘由之一。

4、关断进程消耗

关断进程消耗。指在 MOSFET 关断进程中 逐步上升的漏源电压 VDS(on_off) (t) 与逐步 降落的漏源电流 IDS(on_off)(t) 的穿插重 叠局部形成的消耗。

关断进程消耗盘算

如上图所示,此局部消耗盘算原理及办法跟 Poff_on 相似。起首须盘算或估计失掉关断完成后之漏源电压 VDS(off_beginning) 、关断时辰前的负载电流 IDS(on_end) 即图示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 与 IDS(on_off)(t) 堆叠工夫 Tx 。然后再经过 如下公式盘算: 

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt

实践盘算中,针对这两种假定延伸出两个盘算公式: 

(A) 类假定 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs  
(B) 类假定 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs
(B) 类假定可作为最恶劣形式的盘算值。

阐明: 

IDS(on_end) =Ip2 ,电源运用中这一参数每每是激磁电流 的末了值。因漏感等要素, MOSFET 在关断完成后之 VDS(off_beginning) 每每都有一个很大的电压尖峰 Vspike 叠加其 上,此值可大抵按经历预算。

5、驱动消耗Pgs

驱动消耗,指栅极承受驱动电源停止驱动形成之消耗

驱动消耗的盘算

确定驱动电源电压 Vgs 后,可经过如下公式停止盘算:

Pgs= Vgs × Qg × fs

阐明

Qg 为总驱动电量,可经过大功坦白流稳压电源器件规格书查找失掉。

6、Coss电容的泄放消耗Pds

Coss电容的泄放消耗,指MOS输入电容 Coss 停止时期储备的电场能于导同时期在漏源极上的泄放消耗。

Coss电容的泄放消耗盘算

起首须盘算或估计失掉开启时辰前之 VDS ,再经过如下公式停止盘算:

Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs

阐明

Coss 为 MOSFET 输入电容,普通可即是 Cds ,此值可经过大功坦白流稳压电源器件规格书查找失掉。

7、体内寄生二极管正导游通消耗Pd_f

体内寄生二极管正导游通消耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降形成的消耗。

体内寄生二极管正导游通消耗盘算

在一些应用体内寄生二极管停止载流的使用中(比方同步整流),需求对此局部之消耗停止盘算。公式如下:

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

此中:IF 为二极管承载的电流量, VDF 为二极管正导游通压降, tx 为一周期内二极管承载电流的工夫。

阐明

会因大功坦白流稳压电源器件结温及承载的电流巨细差别而差别。可依据实践使用情况在其规格书上查找到只管即便靠近之数值。

8、体内寄生二极管反向规复消耗Pd_recover

体内寄生二极管反向规复消耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致使的反向规复形成的消耗。

体内寄生二极管反向规复消耗盘算

这一消耗原理及盘算办法与平凡二极管的反向规复消耗一样。公式如下:

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

此中:VDR 为二极管反向压降, Qrr 为二极管反向规复电量,由大功坦白流稳压电源器件提供之规格书中查找而得。

MOS设计选型的几个根本准绳

发起初选之根本步调:

1、电压应力

在电源电路使用中,每每起首思索漏源电压 VDS 的选择。在此上的根本准绳为 MOSFET 实践任务情况中的最大峰值漏源极间的电压不大于大功坦白流稳压电源器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。即:

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注:普通地, V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设置装备摆设最低任务温度条件下之 V(BR)DSS值作为参考。

2、漏极电流

其次思索漏极电流的选择。根本准绳为 MOSFET 实践任务情况中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ;漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即:

ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP

注:普通地, ID_max 及 ID_pulse 具有负温度系数,故应取大功坦白流稳压电源器件在最大结温条件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作为参考。大功坦白流稳压电源器件此参数的选择是极为不确定的—次要是受任务情况,散热技能,大功坦白流稳压电源器件别的参数(如导通电阻,热阻等)等互相制约影响所致。终极的断定根据是结点温度(即如下第六条之“耗散功率束缚”)。依据经历,在实践使用中规格书目中之 ID 会比实践最大任务电流大数倍,这是由于散耗功率及温升之限定束缚。在初选盘算时期还须依据上面第六条的散耗功率束缚不时调解此参数。发起初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。

3、驱动要求

MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量( Qg )参数决议。在满意别的参数要求的状况下,只管即便选择 Qg 小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择在包管阔别最大栅源电压( VGSS )条件下使 Ron 只管即便小的电压值(普通运用大功坦白流稳压电源器件规格书中的发起值)

4、消耗及散热

小的 Ron 值有利于减小导通时期消耗,小的 Rth 值可减小温度差(异样耗散功率条件下),故有利于散热。

5、消耗功率初算

MOSFET 消耗盘算次要包括如下 8 个局部:

PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover

细致盘算公式应依据详细电路及任务条件而定。比方在同步整流的使用场所,还要思索体内二极管正导游通时期的消耗和转向停止时的反向规复消耗。消耗盘算可参考下文的“MOS管消耗的8个构成局部”局部。

6、耗散功率束缚

大功坦白流稳压电源器件稳态消耗功率 PD,max 应以大功坦白流稳压电源器件最大任务结温度限定作为考量根据。如可以事后晓得大功坦白流稳压电源器件任务情况温度,则可以按如下办法预算出最大的耗散功率:
PD,max ≤ ( Tj,max - Tamb ) / Rθj-a

此中 Rθj-a 是大功坦白流稳压电源器件结点到其任务情况之间的总热阻 , 包罗 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其间另有绝缘资料还须将其热阻思索出来。

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