开关管MOSFET的损耗分析及其优化方法
本文主要阐述了mosfet在模块电源中的应用，分析了mosfet损耗特点，提出了优化方法;并且阐述了优化方法与emi之间的关系。
一、引言
mosfet作为主要的开关功率器件之一，被大量应用于模块电源。了解mosfet的损耗组成并对其分析，有利于优化mosfet损耗，提高模块电源的功率;但是一味的减少mosfet的损耗及其他方面的损耗，反而会引起更严重的emi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模块电源的emi性能。
二、开关管mosfet的损耗分析
mosfet的损耗主要有以下部分组成：
1.通态损耗;2.导通损耗;3.关断损耗;4.驱动损耗;5.吸收损耗;
随着模块电源的体积减小，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，引起密勒电容效应，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(模块电源一般设定为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：
备注：为上升时间， 为开关频率， 为下降时间，为栅极电荷，为栅极驱动电压 为mosfet体二极管损耗。
三、mosfet的损耗优化方法及其利弊关系
1. 通过降低模块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模块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。
采用跳频控制方法，在轻负载情况下，通过降低模块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，进一步提高蓄电池供电系统的工作时间，并且还能够降低emi的辐射问题;
2.通过降低、来减少mosfet的损耗
典型的小功率模块电源(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 、来减少mosfet的损耗，通常情况下，可以减小mosfet的驱动电阻rg来减少、时间，但是此优化方法却带来严重的emi问题;以金升阳 urb2405ymd-6wr3产品为例来说明此项问题：
1)urb2405ymd-6wr3采用10ω的mosfet驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：
2)urb2405ymd-6wr3采用0ω的驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：
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class a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。
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。以金升阳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：
2)驱动电阻为27ω;吸收电路为电阻r和c 5.1ω 470pf，辐射骚扰度测试结果如下：
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class a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。
四、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emi的特性变化。上述案例中，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。将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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一、引言
mosfet作为主要的开关功率器件之一，被大量应用于模块电源。了解mosfet的损耗组成并对其分析，有利于优化mosfet损耗，提高模块电源的功率;但是一味的减少mosfet的损耗及其他方面的损耗，反而会引起更严重的emi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模块电源的emi性能。
二、开关管mosfet的损耗分析
mosfet的损耗主要有以下部分组成：
1.通态损耗;2.导通损耗;3.关断损耗;4.驱动损耗;5.吸收损耗;
随着模块电源的体积减小，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，引起密勒电容效应，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
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备注：为上升时间， 为开关频率， 为下降时间，为栅极电荷，为栅极驱动电压 为mosfet体二极管损耗。
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1. 通过降低模块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模块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。
采用跳频控制方法，在轻负载情况下，通过降低模块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，进一步提高蓄电池供电系统的工作时间，并且还能够降低emi的辐射问题;
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