如何做到在电源设计中减少MOSFET损耗的同时提升EMI性能

MOSFET

MOSFET简称(cheng)金氧半场效晶体(ti)管(guan)（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可(ke)以广(guang)泛使用在模拟电(dian)路(lu)与数字电(dian)路(lu)的(de)(de)场效晶体(ti)管(guan)（field-effect transistor）。MOSFET依照(zhao)其“通(tong)道”（工作载流子）的(de)(de)极性不(bu)同(tong)，可(ke)分为“N型(xing)(xing)”与“P型(xing)(xing)” 的(de)(de)两种类型(xing)(xing)，通(tong)常又称(cheng)为NMOSFET与PMOSFET，其他简称(cheng)尚(shang)包括NMOS、PMOS等。

MOSFET的主要参数

场(chang)效应管(guan)的参数很(hen)多(duo)，包括(kuo)直流(liu)参数、交(jiao)流(liu)参数和极限参数，但一般使用时(shi)关注以下主要参数：

1、IDSS—饱和漏(lou)源电(dian)流。是指结型(xing)或(huo)耗尽型(xing)绝(jue)缘栅(zha)场效应管中(zhong)，栅(zha)极(ji)电(dian)压UGS=0时的漏(lou)源电(dian)流。

2、UP—夹断电压(ya)。是(shi)指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源(yuan)间(jian)刚截(jie)止(zhi)时的栅极电压(ya)。

3、UT—开启电压。是指增(zeng)强型绝缘栅场效(xiao)管中，使漏源间刚导通时的栅极(ji)电压。

4、gM—跨导。是表示栅源(yuan)电(dian)(dian)压UGS—对(dui)漏(lou)极电(dian)(dian)流ID的控(kong)制能(neng)力，即漏(lou)极电(dian)(dian)流ID变化(hua)量与栅源(yuan)电(dian)(dian)压UGS变化(hua)量的比值。gM是衡量场效(xiao)应管放大能(neng)力的重(zhong)要参(can)数。

5、BUDS—漏源(yuan)击穿电(dian)压。是指栅源(yuan)电(dian)压UGS一(yi)定时(shi)，场(chang)效应(ying)管正常工(gong)作所能承受的最大漏源(yuan)电(dian)压。这(zhei)是一(yi)项极限参数，加在场(chang)效应(ying)管上(shang)的工(gong)作电(dian)压必须(xu)小于(yu)BUDS。

6、PDSM—最(zui)(zui)大(da)耗(hao)散功率。也是一项极限(xian)参数(shu)，是指场效应管性能不变坏时所允(yun)许的最(zui)(zui)大(da)漏源耗(hao)散功率。使(shi)用时，场效应管实(shi)际功耗(hao)应小于PDSM并留有一定(ding)余量。

7、IDSM—最(zui)(zui)大(da)漏源电(dian)流(liu)。是一(yi)项(xiang)极限(xian)参数，是指(zhi)场效(xiao)应(ying)管(guan)正(zheng)常工作时，漏源间所允许(xu)通过的(de)最(zui)(zui)大(da)电(dian)流(liu)。场效(xiao)应(ying)管(guan)的(de)工作电(dian)流(liu)不(bu)应(ying)超过IDSM。

如何做到电源设计减少MOS管损耗的同时提升EMI性能

MOSFET作(zuo)为主(zhu)要(yao)(yao)(yao)的开关功率(lv)器件之一，被大量应用于模(mo)块(kuai)电(dian)源。了解(jie)MOSFET的损耗(hao)(hao)组成并对(dui)其(qi)分析，有利于优化(hua)MOSFET损耗(hao)(hao)，提高模(mo)块(kuai)电(dian)源的功率(lv);但是一味(wei)的减少(shao)MOSFET的损耗(hao)(hao)及其(qi)他方面的损耗(hao)(hao)，反而(er)会引起更严重的EMI问题(ti)，导(dao)致整个系统不能稳定工作(zuo)。所(suo)以(yi)需(xu)要(yao)(yao)(yao)在减少(shao)MOSFET的损耗(hao)(hao)的同时需(xu)要(yao)(yao)(yao)兼顾模(mo)块(kuai)电(dian)源的EMI性能。

开关管MOSFET的功耗分析

MOSFET的(de)(de)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)主要(yao)有以下部(bu)分组成：1.通(tong)态损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao);2.导通(tong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao);3.关断损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao);4.驱动损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao);5.吸收损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao);随着模块电源的(de)(de)体积减小，需要(yao)将开关频(pin)率进(jin)一步提高，进(jin)而导致(zhi)开通(tong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)和(he)关断损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)增加，例如300kHz的(de)(de)驱动频(pin)率下，开通(tong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)和(he)关断损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)比例已经(jing)是总(zong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)主要(yao)部(bu)分了。

MOSFET导(dao)通与(yu)关断过(guo)程中(zhong)都会产生损(sun)耗，在这两(liang)个转换过(guo)程中(zhong)，漏(lou)极电压与(yu)漏(lou)极电流、栅源电压与(yu)电荷之间的关系如图1和图2所示，现以导(dao)通转换过(guo)程为(wei)例进行分析(xi)：

t0-t1区(qu)间(jian)(jian)：栅极(ji)电(dian)压从0上升到门限(xian)电(dian)压Uth，开(kai)关管为(wei)导通，无漏极(ji)电(dian)流(liu)通过这一区(qu)间(jian)(jian)不产生损耗;

t1-t2区间(jian)：栅极(ji)电压(ya)达到(dao)Vth，漏极(ji)电流ID开始增(zeng)加，到(dao)t2时刻达到(dao)最大(da)(da)值，但是漏源电压(ya)保持截止时高电平不变，从图1可以看出，此部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增(zeng)大(da)(da);

t2-t3区间：从t2时(shi)刻(ke)(ke)开始，漏源电压(ya)VDS开始下(xia)降，引(yin)起密勒电容效应，使得栅极电压(ya)不能上(shang)升而出现平台，t2-t3时(shi)刻(ke)(ke)电荷量等于Qgd，t3时(shi)刻(ke)(ke)开始漏极电压(ya)下(xia)降到(dao)最小值(zhi);此(ci)部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增大

t3-t4区间：栅(zha)极电(dian)压(ya)从(cong)平(ping)台(tai)上升至最后的(de)驱动电(dian)压(ya)(模块电(dian)源(yuan)一(yi)(yi)般设定为12V)，上升的(de)栅(zha)压(ya)使导通(tong)电(dian)阻(zu)进(jin)一(yi)(yi)步减(jian)少(shao)，MOSFET进(jin)入完全导通(tong)状态;此时损耗转化为导通(tong)损耗。

关断过程与(yu)导(dao)通(tong)过程相似，只不过是(shi)波形相反而已;关于(yu)MOSFET的导(dao)通(tong)损耗(hao)与(yu)关断损耗(hao)的分析过程，有很(hen)多文献可以参(can)考，这里(li)直接引用《张兴柱之MOSFET分析》的总结公式(shi)如下：

MOSFET的损耗优化方法及其利弊关系

（一）

通(tong)过(guo)降低模块电源的(de)驱动频率减少MOSFET的(de)损耗，EMI问(wen)题及其(qi)解决(jue)方案(an)。

（二）通过降低、来减少MOSFET的损耗

典型(xing)的(de)(de)小功率(lv)模块(kuai)电源(小于50W)大多(duo)采用(yong)的(de)(de)电路拓扑结(jie)构为反激形(xing)式，典型(xing)的(de)(de)控制电路如(ru)图3所示(shi);从MOSFET的(de)(de)损耗(hao)分(fen)析还可以知道：与开通(tong)损耗(hao)成正比、与关断损耗(hao)成正比;所以可以通(tong)过减(jian)少(shao) 、来(lai)减(jian)少(shao)MOSFET的(de)(de)损耗(hao)，通(tong)常情况下(xia)，可以减(jian)小MOSFET的(de)(de)驱动电阻Rg来(lai)减(jian)少(shao)、时间，但是此优化方法却(que)带(dai)来(lai)严重的(de)(de)EMI问(wen)题;以金升阳URB2405YMD-6WR3产品为例来(lai)说明(ming)此项(xiang)问(wen)题：

1)URB2405YMD-6WR3采用10Ω的MOSFET驱动(dong)电阻，裸机辐射测试结果如下(xia)：

2)URB2405YMD-6WR3采用0Ω的驱(qu)动电阻，裸机辐射测试结果如下：

从两种不同的(de)(de)驱动(dong)电(dian)阻测试(shi)结果来看，虽然都能够通过(guo)EN55022的(de)(de)辐射骚(sao)扰(rao)度的(de)(de)CLASS A等级，但是采用0欧姆的(de)(de)驱动(dong)电(dian)阻，在(zai)水(shui)平极(ji)化方向测试(shi)结果的(de)(de)余(yu)量是不足(zu)3dB的(de)(de)，该方案设计(ji)不能被(bei)通过(guo)。

（三）降低吸收电路损耗来减少损耗

在(zai)(zai)(zai)模块电(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)设(she)计过程中(zhong)，变压器的(de)(de)(de)漏感(gan)总是存在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)，采用反(fan)激拓扑式(shi)结构，往(wang)往(wang)在(zai)(zai)(zai)MOSFET截止过程中(zhong)，MOSFET的(de)(de)(de)漏极往(wang)往(wang)存在(zai)(zai)(zai)着很大的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压尖峰(feng)，一般情况下，MOSFET的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压设(she)计余量是足够承受的(de)(de)(de)，为了提高整体的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)源效率，一些电(dian)(dian)(dian)(dian)源厂家是没有增(zeng)加吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)如图3标(biao)注①RCD吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)和②RC吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu))来吸收(shou)(shou)(shou)尖峰(feng)电(dian)(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)(de)。但是，不注意这些吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)(de)设(she)计往(wang)往(wang)也是导致EMI设(she)计不合格的(de)(de)(de)主要原因。以金升阳(yang)URF2405P-6WR3的(de)(de)(de)吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(采用如图3中(zhong)的(de)(de)(de)②RC吸收(shou)(shou)(shou)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu))为例：

1)驱动电阻Rg为27Ω，无RC吸收电路，辐(fu)射骚扰度(du)测试结(jie)果如下：

2)驱(qu)动电阻为(wei)27Ω;吸收电路为(wei)电阻R和C 5.1Ω 470pF，辐射骚扰度测试结果(guo)如下：

从(cong)两种不同的(de)吸(xi)(xi)收电(dian)路方案测试结(jie)果来看，不采(cai)用(yong)吸(xi)(xi)收电(dian)路的(de)方案，是不能通过(guo)EN55022辐(fu)(fu)射骚扰度的(de)CLASS A等级，而采(cai)用(yong)吸(xi)(xi)收电(dian)路，则可以解决辐(fu)(fu)射骚扰度实验(yan)不通过(guo)的(de)问题，通过(guo)不同的(de)RC组合(he)方式(shi)可进一步降低辐(fu)(fu)射骚扰。

MOSFET的功耗优化(hua)工作(zuo)实际上是(shi)一(yi)(yi)个系(xi)统(tong)工程(cheng)，部(bu)分优化(hua)方案(an)甚至会影(ying)响EMI的特性变化(hua)。上述案(an)例中(zhong)，金升阳R3系(xi)列产(chan)品(pin)将节(jie)能环保的理(li)念深(shen)入到电源(yuan)(yuan)的开发过(guo)程(cheng)中(zhong)，很好地平衡了(le)(le)电源(yuan)(yuan)整体效(xiao)率与EMI特性，从(cong)而(er)进(jin)一(yi)(yi)步(bu)优化(hua)了(le)(le)电源(yuan)(yuan)参数。将电源(yuan)(yuan)参数进(jin)一(yi)(yi)步(bu)优化(hua)，更能兼容(rong)客户系(xi)统(tong)，并(bing)发挥(hui)真(zhen)正的电子系(xi)统(tong)“心脏”作(zuo)用，源(yuan)(yuan)源(yuan)(yuan)不断的输送能量(liang)。

如何减少mos管损耗的方法

1、晶体管缓冲电路

早期(qi)电源多采(cai)用(yong)此(ci)线路(lu)技术。采(cai)用(yong)此(ci)电路(lu)，功率损(sun)耗虽(sui)有(you)所减小，但(dan)仍(reng)不(bu)是很理想。

①减少导通损耗(hao)在(zai)变压器次级线(xian)圈后面加(jia)饱和电(dian)感(gan)，加(jia)反(fan)向(xiang)恢复时(shi)间快(kuai)的二极管(guan)，利用饱和电(dian)感(gan)阻碍电(dian)流(liu)变化的特性，限制电(dian)流(liu)上升的速率，使电(dian)流(liu)与(yu)电(dian)压的波(bo)形尽可能小(xiao)地重叠。

②减少截止损(sun)耗(hao)加R、C吸(xi)收网络(luo)，推迟(chi)变(bian)压(ya)(ya)器(qi)反激电(dian)(dian)压(ya)(ya)发(fa)生(sheng)时(shi)间，最好在电(dian)(dian)流为0时(shi)产(chan)生(sheng)反激电(dian)(dian)压(ya)(ya)，此时(shi)功(gong)率(lv)(lv)损(sun)耗(hao)为0。该(gai)电(dian)(dian)路(lu)利用(yong)电(dian)(dian)容上(shang)电(dian)(dian)压(ya)(ya)不能突(tu)变(bian)的(de)特(te)性，推迟(chi)反激电(dian)(dian)压(ya)(ya)发(fa)生(sheng)时(shi)间。为了增(zeng)加可靠(kao)性，也可在功(gong)率(lv)(lv)管上(shang)加R、C。但(dan)是此电(dian)(dian)路(lu)有明显缺点：因为电(dian)(dian)阻的(de)存在，导致(zhi)吸(xi)收网络(luo)有损(sun)耗(hao)。

2、谐振电路

该电路只改(gai)变开关(guan)(guan)瞬间电流(liu)波(bo)形(xing)，不(bu)改(gai)变导通(tong)时电流(liu)波(bo)形(xing)。只要选择(ze)好合适(shi)的(de)L、C，结(jie)合二极管(guan)结(jie)电容和变压器漏感(gan)，就能(neng)保证电压为0时，开关(guan)(guan)管(guan)导通(tong)或截止(zhi)。因此，采用谐振技术可使开关(guan)(guan)损耗很(hen)小。所以，SWITCHTEC电源开关(guan)(guan)频(pin)率可以做到术结(jie)构380kHz的(de)高频(pin)率。

3、软开关技术

该电(dian)路(lu)是(shi)在(zai)全桥逆变电(dian)路(lu)中加入电(dian)容(rong)(rong)和二极管。二极管在(zai)开(kai)关管导通时起(qi)钳位(wei)作(zuo)用，并构成(cheng)泻放回路(lu)，泻放电(dian)流。电(dian)容(rong)(rong)在(zai)反激(ji)电(dian)压(ya)作(zuo)用下，电(dian)容(rong)(rong)被(bei)充(chong)电(dian)，电(dian)压(ya)不能突然增加，当电(dian)压(ya)比较大(da)的(de)时侯，电(dian)流已经为0。

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