【经验】解析MOSFET在开关电源中的损耗及EMI特性
本文美浦森将介绍MOSFET在开关电源中的损耗及EMI特性。MOSFET作为主要的开关功率器件之一，被大量应用于开关电源。了解MOSFET的损耗组成并对其分析，有利于优化MOSFET应用，提高开关电源的功率；但是一味的减少MOSFET的损耗，反而会引起更严重的EM/问题，导致整个系统不能稳定工作。所以需要在减少MOSFET的损耗的同时需要兼顾开关电源的EMl性能。
一、开关管MOSFET的功耗分析
图 1
MOSFET的损耗主要有以下部分组成：
通态损耗；
.导通损耗；
关断损耗；
驱动损耗；
吸收损耗；
随着开关电源的体积减小，需要将开关频率进一步提高，进而导致开通损耗和关断损耗的增加，例如300kHz的驱动频率下，开通损耗和关断损耗的比例已经是总损耗主要部分了。
MOSFET导通与关断过程中都会产生损耗，在这两个转换过程中，漏极电压与漏极电流、栅源电压与电荷之间的关系如图1和图2所示，现以导通转换过程为例进行分析：
t0-t1区间：栅极电压从0上升到门限电压Uth，开关管为导通，无漏极电流通过这一区间不产生损耗；t1-t2区间：栅极电压达到Vth，漏极电流ID开始增加，到t2时刻达到最大值，但是漏源电压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功耗增大；
t2-t3区间：从t2时刻开始，漏源电压VDS开始下降，引起米勒电容效应，使得栅极电压不能上升而出现平台，t2-t3时刻电荷量等于Qgd，t3时刻开始漏极电压下降到最小值；此部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增大
t3-t4区间：栅极电压从平台上升至最后的驱动电压（开关电源一般设定为12V），上升的栅压使导通电阻进一步减少，MOSFET进入完全导通状态；此时损耗转化为导通损耗。
关断过程与导通过程相似，只不过是波形相反而已；关于MOSFET的导通损耗与关断损耗的分析过程，有很多文献可以参考，这里直接引用《张兴柱之MOSFET分析》的总结公式如下：
公式 1
备注：tr为上升时间，f为开关频率，tr为下降时间，Qg为栅极电荷，Vgs为栅极驱动电压，Pon为MOSFET体二极管损耗。
二、MOSFET的损耗优化方法及其利弊关系
2-1.通过降低开关电源的驱动频率减少MOSFET的损耗（稍微提一下EMI问题及其解决方案）从MOSFET的损耗分析可以看出，开关电源的驱动频率越高，导通损耗、关断损耗和驱动损耗会相应增大，但是高频化可以使得开关电源的变压器磁芯更小，模块的体积变得更小，所以可以通过开关频率去优化开通损耗、关断损耗和驱动损耗，但是高频化却会引起严重的EMI问题。目前市场上大量主控PWM芯片采用跳频控制方法，在轻负载情况下，通过降低开关电源的开关频率来降低驱动损耗，从而进一步提高轻负载条件下的效率，使得系统在待机工作下，更节能，进一步提高开关电源供电系统的工作时间，并且还能够降低EMI的辐射问题；
图2.反激开关电源一般框图
2-2.通过降低MOSFET驱动电阻、来减少MOSFET的损耗例如典型的小功率开关电源（小于50W）大多采用的电路拓扑结构为反激形式，典型的控制电路如图3所示；从MOSFET的损耗分析还可以知道：与开通损耗成正比、与关断损耗成正比；所以可以通过减少Rg来减少MOSFET的损耗。通常情况下，可以减小MOSFET的驱动电阻Rg来减小上升时间及下降时间，但是此优化方法却带来严重的EMI问题。
以URB2405YMD-6WR3产品为例来说明此项问题：
1）URB2405YMD-6WR3采用10Q的MOSFET驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：
图 3 测试结果
2）URB2405YMD-6WR3采用0Q的驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：
图 4 裸机辐射测试结果
从两种不同的驱动电阻测试结果来看，虽然都能够通过EN55022的辐射骚扰度的CLASSB等级，但是采用0欧姆的驱动电阻，在水平极化方向测试结果的余量是不足3dB的，该方案设计不能被通过。
2-3.通过降低吸收电路损耗来减少损耗
在模块电源的设计过程中，变压器的漏感总是存在的，采用反激拓扑式结构，往往在MOSFET截止过程中，MOSFET的漏极往往存在着很大的电压尖峰，一般情况下，MOSFET的电压设计余量是足够承受的，为了提高整体的电源效率，一些电源厂家是没有增加吸收电路（吸收电路如图3标注①RCD吸收电路和②RC吸收电路）来吸收尖峰电压的。但是，不注意这些吸收电路的设计往往也是导致EMI设计不合格的主要原因。还是以URF2405P-6WR3的吸收电路（采用如图3中的②RC吸收电路）为例：
1）驱动电阻Rg为27Ω，无RC吸收电路，辐射骚扰度测试结果如下：
图 5
2）驱动电阻为27Ω；吸收电路为电阻R和C5.1Ω 470pF，辐射骚扰度测试结果如下：
图 6
从两种不同的吸收电路方案测试结果来看，不采用吸收电路的方案，是不能通过EN55022辐射骚扰度的CLASSB等级，而采用吸收电路，则可以解决辐射骚扰度实验不通过的问题，通过不同的RC组合方式可进一步降低辐射骚扰。
三、总结
MOSFET的功耗优化工作实际上是一个系统工程，部分优化方案甚至会影响EMl的特性变化。上述案例中，URF2405P-6WR3产品将节能环保的理念深入到电源的开发过程中，很好地平衡了电源整体效率与EMI特性，从而进一步优化了电源参数，使电源参数进一步优化，更能兼容客户系统，并发挥真正的电子系统“心脏”作用，源源不断的输送能量。
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