打造IC人才
科技生态圈

MOS管栅极电阻的功耗该如何计算?

发布时间:2022-11-09

来源:IC修真院

最近有人问:MOS管栅极电阻的功耗该如何计算?


图片

小伙伴的原问题是:“电阻电路学习中请问一下栅极电阻的功率要怎么计算?比如我10V/2A输出的驱动芯片20欧的栅极电阻。”

驱动电压是10V的,驱动电流到输出到2A,栅极串联了20Ω的电阻,请问这个电阻的功率是多少?

这个小伙伴没有给出开关频率,很明显,功率是跟频率相关的,假如1秒钟驱动一次,那这个功率肯定很低,因为只有在切换的时候电阻才会有电流,大部分情况下电压稳定,电阻电流为0。

我们加入开关频率1Mhz,占空比为50%的PWM波,也就是方波。

驱动电流可以达到2A,串联了20Ω电阻,因为不会发生谐振(如果不知道为什么,可以看下前面的视频),所以最大电流不会超过10V/20Ω=0.5A,也就是说驱动电流肯定是够的。这就说明了驱动电压10V不会被拉下来。

我们假定栅极走线为12mil线宽,长度为1cm的寄生电感是9.17nH,为了方便寄生,我们设为10nH吧。功率MOS管的寄生电容大概是1nF左右,我们就取1nF。

最终问题提炼为:驱动电压10V,驱动信号为PWM波,占空比为50%,频率为1Mhz,寄生电感10nH,MOS管寄生电容为1nF,栅极串联电阻为20Ω,请问,这个电阻消耗的功率是多大?

建立模型


图片


我们提取电路模型如图。

那么如何求电阻功率呢?确实不好求,有电感,有电容,阻抗也是随频率变化的,不固定,咋整?

理论基础

这个时候,就需要运用到前面学的知识啦,信号在脑子里面是什么样的呢?信号在脑子里面应该被拆解为一个个频率的正弦波,别说你不知道啊,我文章写了,视频也发了,不知道的话你对得起我么?

先将驱动电压波形拆解为各个频率正弦波,然后分别计算各个正弦波分量在电阻上面的功率,再把它们加起来就是总功率了。

What?这么复杂?你在玩我吗?

这么复杂的事情自然是我帮你们干了。

我的思路是使用Matlab工具,这个工具有个好处,那就是我们可以构建任意波形,不一定非得是正弦波,三角波,方波这种,反正都是一序列的点,只要能描述出来,就可以进行处理。

构建驱动序列之后,使用fft函数分析频谱,得到各个频率的幅度值,这个东西其实就是对应频率的电压值啦。如图


图片


我们知道,电感和电容的阻抗在不同的频率下是不同的,它是频率的函数,jwL和1/jwC。因此,上面的模型,我们很容易就能写出来总的阻抗公式了,之所以要得到阻抗,是因为我们要求电阻每个频率分量的电流。

阻抗Z=Rs+jwL+1/jwC。

现在我们有了各个频率分量的电压值,也有了阻抗,那么各个分量的电流值就出来啦。因为是串联的,所以这个电流也是流过电阻的电流。

我们再根据P=I^2*R,就可以求出各个频率分量的功率的,再把它们加起来,那就是总功率了。

最终我们求得,电阻的功耗是P=0.10047W


图片


Matlab代码

上面的过程看起来是很复杂的,其实Matlab代码很简单,也就那么三四十行。真正计算的过程也就不到10行,其它的都是定义变量,画图,设置坐标轴什么的。

建议大家可以运行代码试试,我之前也分享了在线运行Matlab的方法。

Matlab在线执行

看不懂代码也没关系,这个模型最重要的参数就5个,电感,电容,电阻,驱动电压,开关频率。可以自己去尝试修改为不同的值,这样可以算出各种不同情况下电阻的功率。也可以收藏下,在以后真正需要计算的时候,代入相关参数,就可以得到电阻的功率啦。

需要指出的是,这些参数对结果的影响很大,我就不一一说明有啥差别啦。

image

imageimage

本文就到这里啦,因为都是自己的想法,如有错误,请高手们留言指出来。


推荐阅读

换一换