如何做到在电源设计中减少MOSFET损耗的同时提升EMI性能

MOSFET

MOSFET简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。

MOSFET的主要参数

场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：

1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。

2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。

3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。

4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。

5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM。

如何做到电源设计减少MOS管损耗的同时提升EMI性能

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。

开关管MOSFET的功耗分析

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：

MOSFET的损耗优化方法及其利弊关系

（一）

通过降低模块电源的驱动频率减少MOSFET的损耗，EMI问题及其解决方案。

（二）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。

（三）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。

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，金升阳R3系列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。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。

如何减少mos管损耗的方法

1、晶体管缓冲电路

早期电源多采用此线路技术。采用此电路，功率损耗虽有所减小，但仍不是很理想。

①减少导通损耗在变压器次级线圈后面加饱和电感，加反向恢复时间快的二极管，利用饱和电感阻碍电流变化的特性，限制电流上升的速率，使电流与电压的波形尽可能小地重叠。

②减少截止损耗加R、C吸收网络，推迟变压器反激电压发生时间，最好在电流为0时产生反激电压，此时功率损耗为0。该电路利用电容上电压不能突变的特性，推迟反激电压发生时间。为了增加可靠性，也可在功率管上加R、C。但是此电路有明显缺点：因为电阻的存在，导致吸收网络有损耗。

2、谐振电路

该电路只改变开关瞬间电流波形，不改变导通时电流波形。只要选择好合适的L、C，结合二极管结电容和变压器漏感，就能保证电压为0时，开关管导通或截止。因此，采用谐振技术可使开关损耗很小。所以，SWITCHTEC电源开关频率可以做到术结构380kHz的高频率。

3、软开关技术

该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用，并构成泻放回路，泻放电流。电容在反激电压作用下，电容被充电，电压不能突然增加，当电压比较大的时侯，电流已经为0。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供 MOS管 技术帮助