在电子电路设计中，准确计算 MOS 管的损耗对于电路的性能和稳定性至关重要。本文将深入探讨 MOS 管损耗的理论计算公式推导，并通过 LTspice 进行仿真验证，旨在帮助硬件工程师在原理图设计阶段更好地评估散热问题和进行 MOS 管选型。
MOS 管的损耗一般由五部分构成，但导通损耗和开关损耗占比较大，本文将重点分析这两部分。
导通损耗是指 MOS 管完全导通时的损耗。在 Vgs 不变的情况下，导通电阻恒定，通过已知的电流和开关的占空比 D，可使用公式计算损耗。然而，对于感性负载，MOSFET 从关断到开通的 Ids 与从开通到关断的 Ids 可能不同。当 MOSFET 导通后，感性负载两端有电压，电感会被充电，电流不断上升，导致关断时电流发生变化。此时，可采用积分推导的方式求解导通损耗。
开关损耗的计算较为复杂，需要了解 MOS 管的开关过程。根据负载类型的不同，可分为电感负载和电阻负载。
- 开通过程：开通过程分为 t1 - t4 阶段。t1 阶段，从驱动器输出驱动电压到 MOS 的 G 和 S 极之间电压充到 Vgs (th)，MOS 管不导通，Ids 为 0，Vds 维持不变；t2 阶段，G 和 S 之间电压从 Vgs (th) 上升到米勒平台电压，器件工作在线性工作区，电流从 0 上升到 Ids_on，Vds 不变；t3 阶段，栅极维持米勒平台电压，Ids 电流基本不变，Vds 下降，直到 MOS 完全导通；t4 阶段，MOS 完全导通后，G 和 S 之间电压继续抬升，MOS 管保持开通状态。损耗主要发生在 t2 和 t3 阶段。
- 关断过程：关断过程是开通过程的逆过程，分为 t5 - t8 阶段。t5 阶段，驱动器输出电压为 0V，Vgs 电压下降到米勒平台，MOSFET 持续导通，损耗较小；t6 阶段，米勒平台电压阶段，Ids_off 保持不变，D 和 S 之间电压从 0 升高到 Vds，有较大损耗；t7 阶段，米勒平台电压到 Vgs (th) 阶段，D 和 S 之间电压为 Vds 不变，电流从 Ids_off 下降到 0，有较大损耗；t8 阶段，Vgs (th) 下降到 0 阶段，Id 为 0，D 和 S 之间电压为 Vds 不变，损耗较小。
- 开关损耗计算：开通过程的损耗主要在 t2 和 t3 阶段，可通过公式计算；关断过程的损耗主要在 t6 和 t7 阶段，也可通过相应公式计算。实际应用中，计算功耗偏高，引入纠正系数 k，电感负载时 k = 1/4。
电阻负载和电感负载的开关损耗差异主要在于电压和电流切换的时机。电阻负载时，电流和电压同时变化。通过类比电感负载的开关时间，可得到电阻负载的总开关损耗，其系数为 1/6。
将电感负载和电阻负载的开关损耗公式汇总，可得到开关损耗归一化公式。
MOSFET 栅极串联电阻的损耗也需要关注，可通过公式计算。电阻有额定功率，需根据功率选择合适的封装大小。
- 电感负载举例：构建电路，使用 ti 的管子 CSD170506Q5A，设置相关参数，通过理论公式计算损耗，并进行 LTspice 仿真。结果显示，理论计算和仿真结果较为接近，误差不大。
- 电阻负载举例：同样构建电路，设置参数，进行理论计算和仿真。结果表明，导通损耗和串联电阻 Rs 损耗误差较小，开关损耗误差较大，总损耗误差为 20.6%。
本文详细推导了 MOS 管损耗的理论计算公式，并通过 LTspice 进行了仿真验证。但需要注意的是，这些计算方法存在一定局限性，忽略了死区时间体二极管的功耗、MOSFET 内部的寄生电感、栅极走线电感以及温度等因素的影响。在实际应用中，需要根据具体情况进行变通和调整。
