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发表于 2019-4-25 09:56:49
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关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
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本节文字课程相关视频：
1. MOSFET的开关时间
2. MOSFET的损耗分析
1开关时间
对于半导体开关来说，除了额定电压/电流等所有电子元件都关心的参数以外，开关时间参数极为重要。更短的开关时间意味着开关频率可以很高，电路中电感电容等储能元件的容量可以减小，变压器的体积也可成倍缩小。高频化是电源技术发展的一个主要方向。
1) 电容电感在电路中起作用的实质是感抗和容抗，都与频率直接相关。
2) 变压器的作用相当于吞吐能量的暂存蓄水池，其磁芯需要能够存储半个周期的能量，否则就会磁饱和。频率越高意味着蓄水池“周转”越快，无需大容量即可满足吞吐需求。
对于 MOSFET 的开关的过程可以利用 TINA 进行仿真，如图1所示：
1) 信号源VG1设置为500kHz方波，2.5V幅值。叠加上2.5V的直流电源V2后，总的驱动信号UP为5V方波脉冲（如图3中UP波形所示）。
2) R1为信号源等效内阻，用于模拟控制信号的驱动能力，R1越小，驱动能力越强。
3) 由于栅极/源极/漏极寄生电容的存在，UGS的波形不再是完美的方波，而是如图3中UGS波形所示的缓慢上升，缓慢下降过程。
4) UD所示为漏极电压，通过（VCC-UD）/RL可以计算出ID。
对图1所示 TINA 原理图进行瞬时现象仿真，仿真起止设定为1.5us至4us。参考图2，在仿真波形图窗口单击编辑→添加更多曲线得到“后续处理”窗口，在“连线编辑”栏中添加ID的计算式
，“创建”ID曲线。
如图3所示为添加了ID曲线后的 MOSFET 开关过程仿真图。MOSFET 的开通时间ton由开通延迟时间td(on)和上升时间tr组成，关断时间toff由关断延迟时间td(off)和下降时间tf组成。图3中用虚线标注了t0至t5等6个时间点，每段时间均代表了不同的开关过程。
1) t0时刻，驱动电平置高，打算开通 MOSFET。但由于栅极等效电容的存在，栅极电压UGS只能缓慢上升，由于UGS尚未达到门限电压UGS（TH），所以 MOSFET 尚未开通（UD高，ID低）。
2) t1时刻，UGS电压达到门限电压，MOSFET 开始导通。t0至t1时间段称为开通延迟时间td(on)，代表从开始“开通”到“开通开始生效”的延迟。由于漏源之间等效电容，从t1时刻开始，UD逐渐降低，ID逐渐增大。
3) t2时刻，UD达到最低，ID增至最大，MOSFET 完成开通过程。t1至t2时间称为上升时间tr，代表ID电流上升到最大所需时间。值得一提的是，在tr时间段内，UGS的电压会由于结电容的“密勒效应”维持不变，称为“密勒平台”。在t2时刻之后，UGS电压逐渐上升到驱动电压最大值。
4) t3时刻，驱动电平置低，打算关断 MOSFET。同样由于栅极等效电容的存在，UGS只能缓慢降低，在UGS尚未降低到门限电压UGS（TH）前，MSOFET 的导通状态不会有任何改变。
5) t4时刻，UGS电压降低到到门限电压，MOSFET 开始关断。t3至t4时间段称为开通延迟时间td(off)，代表从开始“关断”到“关断开始生效”的延迟。
6) t5时刻，UD达到最高，ID减小至最低，MOSFET 完成关断过程。t4至t5时间称为下降时间tf，代表ID电流下降到最低所需时间。
11
在 MOSFET 的器件说明书中，如图4所示参数的优劣决定了开关速度，显然充电电荷越小，开关速度就可以越快。
2MOSFET的损耗构成
如图5所示为正常（硬）开关状态时，MOSFET 的损耗波形。
（1）MOSFET 关断时，MOSFET的DS间承受电压，而此时MOSFET漏电流小到计算损耗时可以忽略不计，因此开关几乎没有断态损耗。
（2）MOSFET 在开通过程中，电流逐渐上升，DS间电压逐渐下降，形成开通损耗；MOSFET 在关断过程中，电流逐渐下降，DS间电压逐渐上升，形成关断损耗；显然，加快开关速度可以减小开关损耗。
（3）MOSFET 在导通后，DS间由于导通电阻RDS(ON)，会存在计算损耗时不可忽略的管压降，因此形成一个较低的通态损耗。
在 MOSFET 硬开关电路中，通态损耗还是开关损耗更大，取决于开关频率。可以很容易得出结论，开关频率越高，开关损耗占比将会越大。频率高到一定程度时，主要损耗就是开关损耗了，此时就要考虑使用软开关电路拓扑来降低开关损耗。
图5所示的 MOSFET 工作过程整体上保持了较低的损耗，这也是开关电源电路高效率的核心理论基础。但是，如图6所示，如果 MOSFET 未能完全导通，则会产生巨大的通态损耗，通常这将导致 MOSFET 烧毁。
欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~
课后问答：
选择题：
1、在 MOSFET 关断过程中，栅源电压UGS刚降到门限电压之后，会发生什么？
A.电流ID增加
B.电压UDS增加
C.电压UGS保持不变
D.RDS增加
2、在 MOSFET 开关过程中，延迟时间段内的现象是什么？
A.电流ID增加
B.电压UDS减小
C.电流ID不变
D.电压UDS不变
3、MOSFET 硬开通的过程中，开关损耗的来源是？
A.电流的下降沿
B.电流的上升沿
C.电压的下降沿
D.电压的上升沿
4、MOSFET 开关工作时，未能未完全开通，将会导致什么后果？
A.导通的电阻很大
B.导通压降很大
C.发热损耗很大
参考答案：
1 BCD
2 CD
3 BC
4 ABC
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