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MPS | 合适的比例,让效率曲线更加优美

效率优化一直是电源设计中的一项重要工作,高效率不仅能够降低电源转换过程中的损耗,节约能源,还能减少发热,减小电源的体积。

今天我们就为大家分享——在电源设计过程中,如何恰当选择上下 MOS 管的比例来提高电源的工作效率。


MOS 选择的困惑


如何选择合适的 MOS 管内阻值一直是电源工程师困扰的问题。

内阻选多少才好?

上下管阻值如何分配才能是效率达到最优?

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在芯片的设计中,MOS 管内阻的分配也是非常重要的。往往能给 MOS 管的空间就这么大,怎么来合理地分割上下管 MOS 的大小,来优化效率也是一件头痛的事情。

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MOS 的结构和损耗组成


首先让我们来了解一下 MOS 管的结构。

MOS 管是个多元集成结构,即一个器件由多个MOSFET单元并联组成。MOS 管导通时表现为电阻特性,且存在三个寄生电容。所以我们可以把 MOS 单元理解为电容和电阻的并联体。MOS 晶元体并联数量越多,导通电阻值就会变得越小,但寄生电容却会变得越大。小的导通电阻带来低的导通损耗,但会让寄生电容变得更大,从而增加开关损耗。

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所以选择 MOS 最重要的还是要弄清楚导通损耗和开关损耗,找到一个最佳平衡点。

怎么找呢?

板上测试,虽然准确,但需要非常大的工作量,并不现实。

建立精确的数学模型来分析损耗是一个简单又快捷的方法。

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1.导通损耗

首先,我们计算导通损耗,导通损耗的计算相对简单,流过 MOS 的电流并考虑纹波电流就可算出单周期上的导通损耗。为了模型的准确性,必须要考虑导通内阻与温度之间的修正关系。MOS 内阻不是一个固定值,会随着温度的升高而变大。

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2.开关损耗中的寄生参数

开关损耗的计算相对复杂,为了得到准确的开关损耗模型,必须考虑下面的两点因素:

一个是驱动与主回路共享的寄生电感;

一个是 MOS 寄生电容在不同 DS 电压下的非线性容值。

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3.开关损耗中的开通损耗


开通损耗分为三个阶段:

第一阶段,上管 MOS 开启过程,上管的 DS 电压开始下降,DS 电流开始上升的过程,直到上管 Vds(top) 电压降到0或上管 Itop 电流上升到输出电流 Io 值为止结束;

第二阶段,反向恢复过程,这个阶段到 Itop 到达峰值点结束,之后下管开始建立电压;

第三阶段,震荡过程,直到上管 Itop 电流不再波动时结束。

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4.开关损耗中的关断损耗


关断损耗分为两个阶段:

第一阶段,Vds 电压上升和 Ids 电流下降阶段,直到 Ids 电流降到0时该阶段结束;

第二阶段,震荡过程,直到 Vds 电压不再震荡为止。

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数学模型和分析验证


了解清楚了电路工作过程的各个损耗后,我们就可以建立数学模型了。首先设定所需的电路参数值和上面分析的 MOS 管参数值及其非线性参数补偿值;然后按时间轴变化描述出各个开关阶段的电压电流波形;再对电压电流波形做积分就可得到 MOS 管的开关损耗和导通损耗。

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模型有了,我们接下来验证一下模型的准确性,将板子上实际测得的效率曲线和模型的计算结果做对比。计算和测试的效率误差基本上控制在0.5个百分点以内。模型是准确的。

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基于数学模型工具的MOS选择


在 MOS 的设计上可以放飞自我了。

我们以10个 100m 内阻的 MOS 单晶元为整体,用模型来计算不同配比下的效率曲线,右边的比例代表单晶元的数量比例。通过曲线的对比,我们可以很直观的得出3:7的 MOS 管配比是最适合12V转3.3V,10A 的应用规格。从这个效率曲线簇中我们也可以发现,同样单位数量的 MOS,不同的比例分配会得到不同的效率曲线,找到这个最优配比,让你的效率曲线最优化。

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通过模型,我们还可以找到 MOS 管的最优内阻值。我们不限定 MOS 管的并联个数,直接按内阻从小到大来计算后可得到损耗关于上下管内阻的三维立体图,损耗的最低点也就是我们效率的最高点。从图中可以看出,MOS 管的内阻并不是越小越好,不同的规格要求有不同的最优内阻匹配点。

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我们再做个横向比较,同样的输入输出规格,不同的输出电流点,最优的配比也是不一样的。所以我们要根据电路的实际应用规格和要求来优化自己的 MOS 配比。

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总结


MOS 的选择对于电路效率的优化非常重要。

精准的数学模型可以让 MOS 管的选择设计变的简单。为了得到准确的模型,必须考虑电路的这三个非线性寄生参数。

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本期 MPS 电源小课堂为大家介绍了如何通过准确的建模来选择合适的 MOS 管,从而让你的电源达到最优化的效率曲线。

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