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MOS换成更低导通电阻的型号,电源效率为什么没明显提升?

MOS换成更低导通电阻的型号,电源效率为什么没明显提升?

RDS(on)降低,只能直接减少导通损耗。开关电源里还要看栅极电荷、输出电容、反向恢复、开关频率和驱动能力;如果开关损耗占比更高,换一颗低阻MOS,整机效率未必有明显变化。

做电源优化时,很容易先盯着MOS的RDS(on)。旧料是8mΩ,新料只有4mΩ,按理说导通损耗应该降一截。结果样机换完,效率只变了零点几,甚至在某些负载点还更差。

这不一定是测试出错。MOS不是只靠一个电阻参数决定损耗,尤其在高频开关电源里,导通损耗和开关损耗要放在一起看。

RDS(on)只管导通损耗中的一部分

MOS完全导通时,通道损耗可以先用I²×RDS(on)估算。但要用实际栅极驱动电压下的RDS(on),还要留意结温。数据手册里的典型值可能是在10V VGS、25℃条件下测得;如果驱动只有4.5V,或者MOS已经很热,实际电阻可能更高。

另外,Buck高边和低边MOS的电流波形、导通时间不同,不能只拿一个电流值乘一次电阻,就当成整颗电源的全部MOS损耗。


MOSFET开关损耗波形
图1:VDS与ID在开关转换期间重叠,会形成额外的开关损耗。


低RDS(on),有时是用更大的栅极电荷换来的

在同一工艺和耐压等级下,要把导通电阻做得更低,往往需要更大的芯片面积;随之增加的可能还有Qg、Qgd和Coss。栅极电荷变大,驱动器每个开关周期要搬运的电荷更多;Qgd和输出电容相关的能量,也会影响开关转换过程。频率越高,这些每周期损耗累加得越明显。

所以选MOS时不能只按RDS(on)从低到高排。TI的选型资料也强调,开关应用要在导通损耗、栅极电荷和开关损耗之间做权衡。


MOSFET导通电阻与栅漏电荷对比
图2:RDS(on)与Qgd常被放在一起比较,单独追求最低导通电阻并不总是最优。


先确认效率到底卡在哪一项

如果工作在较高开关频率,先看VDS与ID的开关波形、栅极驱动是否够强,以及开通和关断期间电压、电流重叠的时间。同步整流场景还要留意死区期间的体二极管损耗和反向恢复;有些设计里,Qrr或Coss带来的损耗可能比省下来的几毫欧更显眼。

如果MOS温度确实下降了,但整机效率几乎不变,说明MOS导通损耗可能不是当前最大的损耗项。电感铜损、磁芯损耗、整流器件和驱动损耗也要一起看。


MOSFET参数取舍示意
图3:导通电阻、栅极电荷和驱动损耗对应不同损耗项,选型需要权衡。


换料前后要在相同输入电压、输出电压、负载、频率和散热条件下比较,最好把轻载、中载、满载几个点都测一遍。再对照两颗MOS的RDS(on)测试条件、Qg/Qgd、Coss和反向恢复参数,而不是只比较首页的典型电阻。


MOSFET栅极电荷和Miller平台
图4:Miller平台和Qgd会影响开关转换时间,进而影响动态损耗。


低阻MOS不一定不好,关键是它是否适合当前频率、驱动能力和工作电流。真正值得换的,是在目标工况下能降低总损耗的那一颗。

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