今天我們就為大家分享——在電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何恰當(dāng)選擇上下 MOS 管的比例來(lái)提高電源的工作效率。

MOS 選擇的困惑

如何選擇合適的 MOS 管內(nèi)阻值一直是電源工程師困擾的問(wèn)題。

內(nèi)阻選多少才好？

上下管阻值如何分配才能是效率達(dá)到最優(yōu)？

在芯片的設(shè)計(jì)中，MOS 管內(nèi)阻的分配也是非常重要的。往往能給 MOS 管的空間就這么大，怎么來(lái)合理地分割上下管 MOS 的大小，來(lái)優(yōu)化效率也是一件頭痛的事情。

MOS 的結(jié)構(gòu)和損耗組成

首先讓我們來(lái)了解一下 MOS 管的結(jié)構(gòu)。

MOS 管是個(gè)多元集成結(jié)構(gòu)，即一個(gè)器件由多個(gè)MOSFET單元并聯(lián)組成。MOS 管導(dǎo)通時(shí)表現(xiàn)為電阻特性，且存在三個(gè)寄生電容。所以我們可以把 MOS 單元理解為電容和電阻的并聯(lián)體。MOS 晶元體并聯(lián)數(shù)量越多，導(dǎo)通電阻值就會(huì)變得越小，但寄生電容卻會(huì)變得越大。小的導(dǎo)通電阻帶來(lái)低的導(dǎo)通損耗，但會(huì)讓寄生電容變得更大，從而增加開關(guān)損耗。

所以選擇 MOS 最重要的還是要弄清楚導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。

怎么找呢？

板上測(cè)試，雖然準(zhǔn)確，但需要非常大的工作量，并不現(xiàn)實(shí)。

建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析損耗是一個(gè)簡(jiǎn)單又快捷的方法。

1.導(dǎo)通損耗

首先，我們計(jì)算導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，流過(guò) MOS 的電流并考慮紋波電流就可算出單周期上的導(dǎo)通損耗。為了模型的準(zhǔn)確性，必須要考慮導(dǎo)通內(nèi)阻與溫度之間的修正關(guān)系。MOS 內(nèi)阻不是一個(gè)固定值，會(huì)隨著溫度的升高而變大。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

2.開關(guān)損耗中的寄生參數(shù)

開關(guān)損耗的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，為了得到準(zhǔn)確的開關(guān)損耗模型，必須考慮下面的兩點(diǎn)因素：

一個(gè)是驅(qū)動(dòng)與主回路共享的寄生電感；

一個(gè)是 MOS 寄生電容在不同 DS 電壓下的非線性容值。

3.開關(guān)損耗中的開通損耗

開通損耗分為三個(gè)階段：

第一階段，上管 MOS 開啟過(guò)程，上管的 DS 電壓開始下降，DS 電流開始上升的過(guò)程，直到上管 Vds(top) 電壓降到0或上管 Itop 電流上升到輸出電流 Io 值為止結(jié)束；

第二階段，反向恢復(fù)過(guò)程，這個(gè)階段到 Itop 到達(dá)峰值點(diǎn)結(jié)束，之后下管開始建立電壓；

第三階段，震蕩過(guò)程，直到上管 Itop 電流不再波動(dòng)時(shí)結(jié)束。

4.開關(guān)損耗中的關(guān)斷損耗

關(guān)斷損耗分為兩個(gè)階段：

第一階段，Vds 電壓上升和 Ids 電流下降階段，直到 Ids 電流降到0時(shí)該階段結(jié)束；

第二階段，震蕩過(guò)程，直到 Vds 電壓不再震蕩為止。

數(shù)學(xué)模型和分析驗(yàn)證

了解清楚了電路工作過(guò)程的各個(gè)損耗后，我們就可以建立數(shù)學(xué)模型了。首先設(shè)定所需的電路參數(shù)值和上面分析的 MOS 管參數(shù)值及其非線性參數(shù)補(bǔ)償值；然后按時(shí)間軸變化描述出各個(gè)開關(guān)階段的電壓電流波形；再對(duì)電壓電流波形做積分就可得到 MOS 管的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

模型有了，我們接下來(lái)驗(yàn)證一下模型的準(zhǔn)確性，將板子上實(shí)際測(cè)得的效率曲線和模型的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比。計(jì)算和測(cè)試的效率誤差基本上控制在0.5個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。模型是準(zhǔn)確的。

基于數(shù)學(xué)模型工具的MOS選擇

在 MOS 的設(shè)計(jì)上可以放飛自我了。

我們以10個(gè) 100m?內(nèi)阻的 MOS 單晶元為整體，用模型來(lái)計(jì)算不同配比下的效率曲線，右邊的比例代表單晶元的數(shù)量比例。通過(guò)曲線的對(duì)比，我們可以很直觀的得出3：7的 MOS 管配比是最適合12V轉(zhuǎn)3.3V，10A 的應(yīng)用規(guī)格。從這個(gè)效率曲線簇中我們也可以發(fā)現(xiàn)，同樣單位數(shù)量的 MOS，不同的比例分配會(huì)得到不同的效率曲線，找到這個(gè)最優(yōu)配比，讓你的效率曲線最優(yōu)化。

通過(guò)模型，我們還可以找到 MOS 管的最優(yōu)內(nèi)阻值。我們不限定 MOS 管的并聯(lián)個(gè)數(shù)，直接按內(nèi)阻從小到大來(lái)計(jì)算后可得到損耗關(guān)于上下管內(nèi)阻的三維立體圖，損耗的最低點(diǎn)也就是我們效率的最高點(diǎn)。從圖中可以看出，MOS 管的內(nèi)阻并不是越小越好，不同的規(guī)格要求有不同的最優(yōu)內(nèi)阻匹配點(diǎn)。

我們?cè)僮鰝€(gè)橫向比較，同樣的輸入輸出規(guī)格，不同的輸出電流點(diǎn)，最優(yōu)的配比也是不一樣的。所以我們要根據(jù)電路的實(shí)際應(yīng)用規(guī)格和要求來(lái)優(yōu)化自己的 MOS 配比。

總結(jié)

MOS 的選擇對(duì)于電路效率的優(yōu)化非常重要。

精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型可以讓 MOS 管的選擇設(shè)計(jì)變的簡(jiǎn)單。為了得到準(zhǔn)確的模型，必須考慮電路的這三個(gè)非線性寄生參數(shù)。

審核編輯 黃宇