選擇合適的MOS管提高電源的工作效率

本期內容

效率優化一直是電源設計中的一項重要工作，高效率不僅能夠降低電源轉換過程中的損耗，節約能源，還能減少發熱，減小電源的體積。

今天我們就為大家分享——在電源設計過程中，如何恰當選擇上下 MOS 管的比例來提高電源的工作效率。

MOS 選擇的困惑

如何選擇合適的 MOS 管內阻值一直是電源工程師困擾的問題。

內阻選多少才好?

上下管阻值如何分配才能是效率達到最優?

在芯片的設計中，MOS 管內阻的分配也是非常重要的。往往能給 MOS 管的空間就這么大，怎么來合理地分割上下管 MOS 的大小，來優化效率也是一件頭痛的事情。

MOS 的結構和損耗組成

首先讓我們來了解一下 MOS 管的結構。

MOS 管是個多元集成結構，即一個器件由多個MOSFET單元并聯組成。MOS 管導通時表現為電阻特性，且存在三個寄生電容。所以我們可以把 MOS 單元理解為電容和電阻的并聯體。MOS 晶元體并聯數量越多，導通電阻值就會變得越小，但寄生電容卻會變得越大。小的導通電阻帶來低的導通損耗，但會讓寄生電容變得更大，從而增加開關損耗。

所以選擇 MOS 最重要的還是要弄清楚導通損耗和開關損耗，找到一個最佳平衡點。

怎么找呢?

板上測試，雖然準確，但需要非常大的工作量，并不現實。

建立精確的數學模型來分析損耗是一個簡單又快捷的方法。

01導通損耗

首先，我們計算導通損耗，導通損耗的計算相對簡單，流過 MOS 的電流并考慮紋波電流就可算出單周期上的導通損耗。為了模型的準確性，必須要考慮導通內阻與溫度之間的修正關系。MOS 內阻不是一個固定值，會隨著溫度的升高而變大。

02開關損耗中的寄生參數

開關損耗的計算相對復雜，為了得到準確的開關損耗模型，必須考慮下面的兩點因素：

一個是驅動與主回路共享的寄生電感;

一個是 MOS 寄生電容在不同 DS 電壓下的非線性容值。

03開關損耗中的開通損耗

開通損耗分為三個階段：

第一階段，上管 MOS 開啟過程，上管的 DS 電壓開始下降，DS 電流開始上升的過程，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 值為止結束;

第二階段，反向恢復過程，這個階段到 Itop 到達峰值點結束，之后下管開始建立電壓;

第三階段，震蕩過程，直到上管 Itop 電流不再波動時結束。

04開關損耗中的關斷損耗

關斷損耗分為兩個階段：

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時該階段結束;

第二階段，震蕩過程，直到 Vds 電壓不再震蕩為止。

數學模型和分析驗證

了解清楚了電路工作過程的各個損耗后，我們就可以建立數學模型了。首先設定所需的電路參數值和上面分析的 MOS 管參數值及其非線性參數補償值;然后按時間軸變化描述出各個開關階段的電壓電流波形;再對電壓電流波形做積分就可得到 MOS 管的開關損耗和導通損耗。

模型有了，我們接下來驗證一下模型的準確性，將板子上實際測得的效率曲線和模型的計算結果做對比。計算和測試的效率誤差基本上控制在0.5個百分點以內。模型是準確的。

基于數學模型工具的 MOS 選擇

在 MOS 的設計上可以放飛自我了。

我們以10個 100m? 內阻的 MOS 單晶元為整體，用模型來計算不同配比下的效率曲線，右邊的比例代表單晶元的數量比例。通過曲線的對比，我們可以很直觀的得出3：7的 MOS 管配比是最適合12V轉3.3V，10A 的應用規格。從這個效率曲線簇中我們也可以發現，同樣單位數量的 MOS，不同的比例分配會得到不同的效率曲線，找到這個最優配比，讓你的效率曲線最優化。