VGS条件下效率比较 - MOSFET门极驱动电压的优化

　　--- 首先给定以下条件：

　　VIN=5V

　　VOUT=1.8V

　　IOUT=20A

　　D=0.36

　　Fsw=200kHz

　　Rg=0Ω

　　LLUMP=50nH

　　---MOSFET驱动器特性：

　　---图6显示了具有代表性的模型,其说明了对开关电源性能能够产生影响作用的大多数寄生元件。为了简化,只给出了低侧同步整流器MOSFET和驱动器级。与驱动器汲极和源极阻抗相关联的电阻通常都具有不同值,但制造商的数据表中都应做了指定。需要指出的是,驱动器和MOSFET间寄生电感的作用同样是十分重要的。在进行较高频率操作时,该电感将限制门电流对MOSFET输入电容充电的尝试。公式2表明这将导致更长的上升与下降时间以及额外的开关损耗。在本例中,我们假定总寄生电感LLUMP为50nH。如图6所示,LLUMP由与MOSFET和驱动器封装类型相关的内部引线电感组成。由于设计人员无法真正控制这些参数,因此唯一可以控制的寄生电感组件是线迹电感Ltrace。为此,最大程度地缩短驱动器与MOSFET之间的线迹长度以及直接在接地平面上运行短且宽的线迹,都可降低寄生线迹电感。

　　---控制MOSFET功率损耗计算：

　　Pc=Iout2×Rds(ON)×D 公式1

　　式中tr≈tf,可用下式近似估算：

　　高侧驱动器功率损耗：

　　---由于驱动器的汲极与源极电阻远大于MOSFET的内部门极电阻,因此大部分与MOSFET门极充电、放电相关的开关损耗来自驱动器IC。公式5

　　---采用公式1～公式5,可以估算出各种VGS条件下控制MOSFET与驱动器的总损耗。

　　---同步整流器MOSFET功率损耗计算：

　　---为了简化计算过程,我们假定以下基体二极管特性：

　　tBDR+tBDF=10ns

　　QRR=48nC

　　VF=1V

　　Pbd=VF×Iout×Fsw×(tBDR+tBDF) 公式6

　　Pc=Iout2×Rds(ON)×(1-D) 公式7

　　PRR=QRR×VIN×Fsw 公式8

　　Psw=0 公式9

　　Pout=0 公式10

　　低侧驱动器功率损耗：公式11

　　---采用公式6～公式11,设计人员可以估算出各VGS条件下同步整流器MOSFET与驱动器的总损耗。由于公式1～公式11所表示的单个损耗中有不少取决于频率,我们设计了EXCEL电子表格用于计算并绘制各VGS条件下,高控制MOSFET与低同步MOSFET相对应的总损耗对频率的关系曲线。您可很容易通过电子表格或MathCAD判定VGS值变化所带来的影响。

　　---图7所示的是公式1～公式11在不同VGS条件下频率变化(100kHz～1MHz)时所绘制的曲线图。这些图表可在任何输出负载电流下生成,图为IOUT(MAX)=20A时的输出结果,在此电流下,提高MOSFET连接点温度主要受益于高效率。显而易见,当IOUT=20A时,在所有考虑的频率范围内,VGS=9V都能显著减少耗散功率。通过计算各VGS条件下的总耗散功率,并已知最大输出功率,我们应用公式12绘制了图8中的曲线。

　　公式12

　　---在选择最优开关频率时,除了考虑对驱动器与MOSFET的影响,还必须考虑对功率级组件的影响。分析功率级频率的影响作用已经超出了本例的范围,因此我们假定200kHz对于在优化MOSFET与门极驱动电路以及维持相当的高频以使功率级中无源组件尺寸最小化二者之间来说是一个较好的折衷方案。图8中的曲线表明,在VGS=9V且IOUT=20A的条件下,频率为200kHz时,效率提高约1.7%。

　　---选择200kHz的开关频率将有助于我们了解在所选频率下VGS对整个负载范围的影响。接下来,我们以200kHz为固定频率,将公式1～公式11绘制成负载电流的曲线图。

　　---图9所示的是在固定频率200kHz,VGS=5V与VGS=9V两种情况下,负载电流对耗散功率的影响曲线图。正如所预料的那样,图10表明了当VGS=9V且IOUT=20A时,效率提高了1.7%。然而,当IOUT小于7A时,VGS=9V使效率降低,而VGS=5V却能提高效率。这是因为,IOUT小于7A时,低导电损耗所带来的效率提高不再具有主导的作用,这点在公式1与公式7中显而易见。在低负载电流时,频率相关损耗(frequency dependant losses)开始超过电流相关(导电)损耗并起主导作用,因此,应选择低的VGS=5V,也就是低门极电荷。

　　---有趣的是,通过重复上述绘图过程,能够优化VGS与开关频率的组合。在本例中,如果采用VGS=9V,频率为200kHz,能够在最大输出电流时提高效率1.7%;而在较小负载电流时,代价是使效率降低。相反,如果采用VGS=5V,频率同样为200kHz,则在中低范围的负载电流时效率提高,而在高负载电流时效率降低。

　　---生成图7～图10中的曲线图所采用的详细计算过程如下：