PCB回路関連のみ20は随時更新されます~~ whaosoft aiot http://143ai.com
1. スイッチング電源用MOS管8種類の動作損失の計算
MOSFET の動作損失は基本的に次の部分に分けられます。
1. 導通損失ポン
導通損失とは、MOSFET が完全にオンになった後、負荷電流 (ドレイン-ソース間電流) IDS(on)(t) によって導通抵抗 RDS(on) に生じる電圧降下によって引き起こされる損失を指します。
伝導損失の計算:
まず、計算によって IDS(on)(t) 関数式を取得し、その実効値 IDS(on)rms を計算し、次の抵抗損失計算式によって計算します。
Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don
例証します:
IDS(on)rms の計算に使用される期間はオン時間 Ton のみであり、デューティ サイクル Ts 全体ではありません。RDS(on) は IDS(on)(t) 値とデバイスのジャンクション温度によって変化します。仕様に従って予想される動作条件にできるだけ近い RDS(on) 値を見つけることです (つまり、仕様によって提供される温度係数 K を掛けます)。
2. カットオフロス Poff
ターンオフ損失とは、MOSFET が完全にターンオフした後、ドレイン・ソース間電圧 VDS(off) のストレスにより発生するリーク電流 IDSS によって生じる損失を指します。
カットオフロスの計算:
まず MOSFET がオフ時にかかるドレイン・ソース間電圧 VDS(off) を計算し、次にデバイス仕様で提供されている IDSS を検索し、次の式で計算します。
Poff=VDS(off) × IDSS ×（ 1-Don ）
例証します:
IDSS は VDS(off) に応じて変化し、仕様で提供される値は近似的な V(BR)DSS 条件でのパラメータです。計算されたドレイン・ソース間電圧 VDS(off) が V(BR)DSS に近づくほど大きい場合は、この値を直接引用できますが、非常に小さい場合はゼロにすることができ、この項目は無視されます。 。
3. 開封工程ロス
ターンオンプロセス損失とは、徐々に低下するドレイン・ソース間電圧 VDS(off_on)(t) と徐々に上昇する負荷電流 (ドレイン・ソース間電流) IDS(off_on)(t) の重なり部分によって生じる損失を指します。 MOSFETのターンオンプロセス中。
プロセス損失の計算をオンにするには:
ターンオン過程における VDS(off_on)(t) と IDS(off_on)(t) の交差波形を上図に示します。まず、開路前の VDS(off_end)、開路完了後の IDS(on_beginning)、図の Ip1、および VDS(off_on)(t)の重複時間 Tx を計算または推定する必要があります。およびIDS(off_on)(t)。次に、次の式で計算されます。
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt
実際の計算では、主に 2 つの仮定があります。図 (A) の VDS(off_on)(t) の初期低下と ID(off_on)(t) の緩やかな上昇が同時に起こるという仮定と、図 (B) の仮定です。その VDS ID(off_on)(t) が最大値まで上昇した後、(off_on)(t) の低下が始まります。図 (C) は、FLYBACK アーキテクチャの MOSFET によって実際にテストされた波形であり、タイプ (A) の仮定に近いものです。これら 2 つの仮定に基づいて、2 つの計算式が拡張されます。
(A) クラスは Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs と仮定します。
(B) クラスは Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs と仮定します
クラス (B) の仮定は、最悪の場合のモデル計算として使用できます。
例証します:
図(C)の実際のテスト波形から、ターンオン完了後のIDS(on_beginning)>>Ip1がわかります(電源のIp1パラメータは励磁電流の初期値であることがよくあります)。回路アーキテクチャとデバイスのパラメータに関連する重畳電流ピークの正確な値を予測することは困難です。たとえば、FLYBACK の実際の電流は、Ittal=Idp1+Ia+Ib となります (Ia は、二次側整流ダイオードの一次電極への逆回復電流によって誘導される電流値、つまり、巻数を乗じたもの)比、Ib はトランスの一次側巻線の層間（MOSFET スイッチがオンになった瞬間に寄生容量によって放出される電流）です。この予測不可能な値は、この部分の計算エラーの主な理由の 1 つでもあります。
4. ターンオフプロセス損失
シャットダウンプロセスの損失。MOSFET のターンオフ時に、徐々に上昇するドレイン・ソース間電圧 VDS(on_off)(t) と徐々に下降するドレイン・ソース間電流 IDS(on_off)(t) の重なり部分によって生じる損失を指します。
シャットダウン時の損失の計算:
上図に示すように、この部分の損失計算原理と計算方法は Poff_on と同様です。まず、ターンオフ後のドレイン・ソース間電圧 VDS(off_beginning)、ターンオフ前の負荷電流 IDS(on_end) (図に示す Ip2) を計算または推定する必要があります。 VDS(on_off) (t) と IDS(on_off)(t ) は時間 Tx と重なります。
次に、次の式で計算されます。
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt
実際の計算では、次の 2 つの仮定に対して 2 つの計算式が拡張されます。
(A) クラスは Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs と仮定します。
(B) クラスは、Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs と仮定します。
クラス (B) の仮定は、最悪の場合のモデル計算として使用できます。
例証します:
IDS(on_end) =Ip2、このパラメータは多くの場合、電源の励起電流の終了値になります。MOSFET のターンオフ後の VDS (off_beginning) には漏れインダクタンスなどの影響で大きなスパイク電圧 Vspike が重畳することが多く、この値は経験に基づいて大まかに見積もることができます。
5. 駆動損失 Pgs
駆動損失とは、ゲートが駆動力によって駆動されることによって生じる損失を指します。
駆動損失の計算:
駆動電源電圧 Vgs を決定すると、次の式で計算できます。
Pgs= Vgs × Qg × fs
例証します:
Qg は総駆動電力であり、デバイスの仕様から確認できます。
6. Cossコンデンサの放電損失Pds
Coss コンデンサの放電損失とは、MOS 出力コンデンサ Coss の遮断期間中に導通期間中にドレインとソースに蓄えられる電界エネルギーの放電損失を指します。
Cossコンデンサの放電損失の計算:
まず、開始時間前の VDS を計算または推定し、次の式で計算する必要があります。
Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs
例証します:
Coss は MOSFET の出力静電容量で、通常は Cds に等しく、この値はデバイスの仕様から確認できます。
7. ボディ寄生ダイオードの順方向導通損失 Pd_f
ボディの寄生ダイオードの順方向導通損失とは、MOS ボディの寄生ダイオードが順方向電流を流す際の順方向電圧降下によって生じる損失を指します。
ボディ内の寄生ダイオードの順方向導通損失の計算:
内部寄生ダイオードを使用して電流を流す一部のアプリケーション (同期整流など) では、この部品の損失を計算する必要があります。式は次のとおりです。
Pd_f = IF × VDF × tx × fs
その中で、IF はダイオードが流す電流量、VDF はダイオードの順方向導通電圧降下、tx はダイオードが 1 サイクルで電流を流す時間です。
例証します:
これは、デバイスのジャンクション温度と流れる電流の大きさによって異なります。実際のアプリケーション環境に応じて、できるだけ近い値が仕様書に記載されています。
8. 本体寄生ダイオードの逆回復損失 Pd_recover
ボディ寄生ダイオードの逆回復損失とは、MOSボディ内の寄生ダイオードに順方向電流が流れた後、逆電圧による逆回復で生じる損失を指します。
内部寄生ダイオードの逆回復損失の計算:
損失原理や計算方法は通常のダイオードの逆回復損失と同じです。式は次のとおりです。
Pd_recover=VDR × Qrr × fs
その中で、VDR はダイオードの逆電圧降下、Qrr はダイオードの逆回復電力であり、デバイスが提供するデータシートから取得できます。
MOS 設計選択のいくつかの基本原則
一次選択の推奨される基本手順:
1. 電圧ストレス
電源回路アプリケーションでは、ドレイン・ソース間電圧 VDS の選択が最初に考慮されることがよくあります。ここでの基本原則は、MOSFET の実際の動作環境における最大ピーク ドレイン-ソース電圧は、デバイス仕様の公称ドレイン-ソース降伏電圧の 90% 以下であるということです。今すぐ：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注: 一般に、V(BR)DSS には正の温度係数があります。したがって、機器の最低動作温度における V(BR)DSS 値は参考値としてご利用ください。
2. ドレイン電流
次に、ドレイン電流の選択を検討します。基本原理は、MOSFET の実際の動作環境における最大周期ドレイン電流が仕様の公称最大ドレイン・ソース間電流の 90% 以下、ドレイン・パルス電流のピーク値が 90% 以下であることです。仕様におけるドレインパルス電流の公称ピーク値の値。 :
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注: 一般に、ID_max と ID_pulse は負の温度係数を持っているため、最大ジャンクション温度の下でのデバイスの ID_max と ID_pulse の値は参考値として考慮する必要があります。デバイスのこのパラメータの選択は、主に動作環境、熱放散技術、およびデバイスの他のパラメータ (オン抵抗、熱抵抗など) の相互制約により、非常に不確実です。最終的な判断はジャンクション温度 (つまり、下記第 6 条の「損失電力制約」) に基づいて行われます。経験によれば、実際のアプリケーションでは、消費電力と温度上昇の制限により、仕様参考文献の ID は実際の最大動作電流よりも数倍大きくなります。予備計算期間中、このパラメータは下記第 6 条の消費電力制約に従って継続的に調整する必要があります。一次選択は ID = (3~5)*ID_max の 3~5 倍程度を推奨します。
3. ドライバーの要件
MOSFET の駆動要件は、総ゲート電荷 (Qg) パラメータによって決まります。他のパラメータの要件を満たす場合は、駆動回路の設計を容易にするために、Qg が最も小さいものを選択するようにしてください。駆動電圧は、最大ゲート・ソース間電圧 ( VGSS ) を避けることを前提に、Ron をできるだけ小さくするように選択されます (通常はデバイス仕様の推奨値を使用します)。
4. 損失と放熱
Ron値が小さいと通電時の損失が小さくなり、Rth値が小さいと温度差が小さくなるので（同一許容損失条件下）放熱に有利になります。
5. 電力損失の試算
MOSFET の損失計算には主に次の 8 つの部分が含まれます。
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
詳細な計算式は、具体的な回路や使用条件に応じて決定する必要があります。例えば同期整流の応用では、ボディダイオードの順導通期間の損失やカットオフ時の逆回復損失も考慮する必要があります。損失の計算については、以下の「MOS 管損失の 8 つの要素」セクションを参照してください。
6. 消費電力の制約
デバイスの定常状態電力損失 PD,max は、デバイスの最大動作ジャンクション温度制限に基づく必要があります。デバイスの使用環境温度が事前にわかっている場合、最大消費電力は次のように推定できます。
PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a
ここで、Rθj-a は、デバイスの接合部とその動作環境の間の合計熱抵抗 (Rθ接合ケース、Rθケースシンク、Rθシンク環境などを含む) です。間に絶縁材がある場合は、その熱抵抗も考慮する必要があります。