MOS的功耗计算-半桥的功耗

Posted 2023-04-01 王崇卫

之前在跟同事罗帅讨论驱动器的热损耗，学习了一下，找的一篇TI的文章对半桥的功耗计算。

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文章：
Application Report
Calculating Power Dissipation for a H-Bridge or Half Bridge Driver

摘要：

在为电机应用或具有电感特性的负载选择集成 H 桥或半桥驱动器时，必须考虑由于负载电流和输出的 PWM 开关以进行电流调节而导致的驱动器功耗。 器件上消耗的功率会使器件的结温超过环境温度，具体取决于热阻抗。 热阻取决于 IC 的特性（封装、芯片尺寸等）和 PCB 设计，这通常是给定驱动器提供多少电流的限制因素。 要计算给定应用中的最大允许电流，需要估算电机驱动器的总功耗。 本应用报告展示了如何估算功率 FET 和整个器件本身在每种情况下的功耗。

1 集成驱动器中的功耗来源

驱动器 IC 中的功率 FET 有两个基本的功耗来源。

1.1 导通损耗

每个 FET 的导通损耗由于其导通电阻而产生的功耗由下式给出：
$$P_{RON}[W]=R_{ON}\times I_L^2$$

• $R_{ON}$=FET 导通电阻[ohm]

• $I_L$ = 负载电流[A]

  请注意，$R_{ON}$ 随温度升高而增加。 因此，随着设备升温，功耗也会增加。 在计算总器件功耗时必须考虑这一点。 通常，RON 在 150 摄氏度时的值大约是 25 摄氏度时的室温值的两倍。

1.2 开关损耗

与基于 PWM 的电流调节相关的开关损耗导致的功耗可以用以下表达式来近似：

1. 上升沿和下降沿期间由于输出压摆引起的功耗由下式给出：
   $$P_{SW1}[W]=(0.5\times V_M\times I_L\times V_M/S{R}_{rise}\times f_{PWM})+(0.5\times V_M\times I_L\times V_M/S{R}_{fall}\times f_{PWM})$$

• $f_{PWM}$ = PWM 开关频率 [Hz]
• $V_M$ = 驱动器电源电压 [V]
• $I_L$ = 负载电流 [A]
• $SR_rise $ = 上升期间的输出电压转换率 [V/sec]
• $SR_fall $ = 下降期间的输出电压转换率 [V/sec]

输出压摆率是 EM（电磁）性能和器件功耗之间的平衡。

2. 由于开关 FET 之间的死区时间导致的功耗由下式给出：
   $$P_{SW2}[W]=(V_D\times I_L\times tDEA{D}_{rise}\times f_{PWM})+(V_D\times I_L\times tDEA{D}_{fall}\times f_{PWM})$$

• $f_{PWM}$ = PWM 开关频率 [Hz]
• $V_D$ = FET 体二极管正向偏置电压 [V]
• $I_L$ = 负载电流 [A]
• $tDEAD_rise $ = 上升过程中的死区时间 [sec]
• $tDEAD_fall $ = 下降过程中的死区时间 [sec]

死区时间对于降低开关功率 FET 之间的任何电流直通风险是必要的。 集成 FET 驱动器通常具有基于反馈的自定时 FET 开关序列，以确保尽可能小的死区时间，同时避免任何击穿电流。

3. 在再循环路径中 FET 导通期间由于 OUTPUT 摆动导致的功耗由下式给出：
   $$P_{SW1}[W]=(0.5\times V_D\times I_L\times V_D/S{R}_{rise}\times f_{PWM})+(0.5\times V_D\times I_L\times V_D/S{R}_{fall}\times f_{PWM})$$

这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道

4. 由于开关 FET 的反向恢复损耗也会产生功率耗散。 这是由于典型大功率 FET ($R_{DSON}$< ~100 mΩ) 的正向偏置体二极管的电流方向发生变化而发生的。 这些损耗通常会限制较高压摆率（> 25 V/μsec）下的功耗节省。 这种耗散通常也不被考虑，因为它非常微不足道。

1.3 器件电流消耗

器件电流消耗引起的功耗，由下式给出
$$P_{IVM}[W]=V_M\times I_{VM}$$

• $V_M$ = 驱动器电源电压 [V]
• $I_{VM}$ = 设备工作电源电流 [A]

考虑到 $I_{VM}$ 通常约为 5 - 10 mA，这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道。

1.4 稳压器ldo消耗

一些驱动器设备具有可用的外部 LDO 稳压器输出，用

mos管功耗

题目：CMOS反相器的功耗主要包括哪几部分？分别与哪些因素相
关？
P_dynamic 是电路翻转产生的动态功耗
P_short是P管和N管同时导通时产生的短路功耗
P_leakage 是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流引起的静态功耗
静态功耗：CMOS反相器在静态时，P、N管只有一个导通。由于没有Vdd到GND的直流桐庐，所以
CMOS的静态功耗应该等于零。但实际上，由于扩散区和衬底的PN结上存在反向漏电流，所以会产生静
态功耗。
短路功耗：CMOS电路在“0”和“1”的转换过程中，P、N管会同时导通，产生一个由Vdd到VSS窄脉冲电
流，由此引起功耗
动态功耗：C_L 这个CMOS反相器的输出负载电容，由NMOS和PMOS晶体管的漏扩散电容、连线电容
和扇出门的输入电容组成。