降低開關電源開關損耗的原理

基于電感的開關電源（SM-PS）包含一個功率開關，用于控制輸入電源流經電感的電流。大多數開關電源設計選擇MOSFET作開關（圖1a中Q1），其主要優點是MOSFET在導通狀態具有相對較低的功耗。

MOSFET完全打開時的導通電阻（RDS(ON)）是一個關鍵指標，因為MOSFET的功耗隨導通電阻變化很大。開關完全打開時，MOSFET的功耗為ID2與RDS(ON)的乘積。如果RDS(ON)為0.02W，ID為1A，則MOSFET功耗為0.02*12=0.02W。功率MOSFET的另一功耗源是柵極電容的充放電。這種損耗在高開關頻率下非常明顯，而在穩態（MOSFET連續導通）情況下，MOSFET柵極阻抗極高，典型的柵極電流在納安級，因此，這時柵極電容引起的功耗則微不足道。轉換效率是SMPS的重要指標，須選擇盡可能低的RDS(ON)。MOSFET制造商也在堅持不懈地開發低導通電阻的MOSFET，以滿足這一需求。

隨著蜂窩電話、PDA及其他電子設備的體積要求越來越小，對電子器件，包括電感、電容、MOSFET等的尺寸要求也更加苛刻。減小SMPS體積的通用方法是提高它的開關頻率，開關頻率高容許使用更小的電感、電容，使外部元件尺寸最小。

不幸的是，提高SMPS的開關頻率會降低轉換效率，即使MOSFET的導通電阻非常小。工作在高開關頻率時，MOSFET的動態特性，如柵極充放電和開關時間變得更重要。可以看到在較高的開關頻率時，高導通電阻的MOSFET反而可以提高SMPS的效率。為了理解這個現象就不能只看MOSFET的導通電阻。下面討論了N溝道增強型MOSFET的情況，其它類型的MOSFET具有相同結果。

圖1.一個典型的升壓轉換器（a）利用MOSFET控制流經電感至地。

當溝道完全打開，溝道電阻(RDS(ON))降到最低；如果降低柵極電壓，溝道電阻則升高，直到幾乎沒有電流通過漏極、源極，這時MOSFET處于斷開狀態。可以預見，溝道的體積愈大，導通電阻愈小。同時，較大的溝道也需要較大的控制柵極。由于柵極類似于電容，較大的柵極其電容也較大，這就需要更多的電荷來開關MOSFET。同時，較大的溝道也需要更多的時間使MOSFET打開或關閉。工作在高開關頻率時，這些特性對轉換效率的下降有重要影響。

在低開關頻率或低功率下，對SMPSMOSFET的功率損耗起決定作用的是RDS(ON)，其它非理想參數的影響通常很小，可忽略不計。而在高開關頻率下，這些動態特性將受到更多關注，因為這種情況下它們是影響開關損耗的主要原因。

圖2.所示簡單模型顯示了N溝道增強型MOSFET的基本組成，流經漏極與源極之間溝道的電流受柵極電壓控制。

MOSFET柵極類似于電容極板，對柵極提供一個正電壓可以提高溝道的場強，產生低導通電阻路徑，提高溝道中的帶電粒子的流通。

對SMPS的柵極電容充電將消耗一定的功率，斷開MOSFET時，這些能量通常被消耗到地上。這樣，除了消耗在MOSFET導通電阻的功率外，SMPS的每一開關周期都消耗功率。顯然，在給定時間內柵極電容充放電的次數隨開關頻率而升高，功耗也隨之增大。開關頻率非常高時，開關損耗會超過MOSFET導通電阻的損耗。