大功率電源中MOSFET功率計(jì)算

計(jì)算功率耗散
??????? 要確定一個(gè)MOSFET 場效應(yīng)管是否適于某一特定應(yīng)用，需要對其功率耗散進(jìn)行計(jì)算。耗散主要包括阻抗耗散和開關(guān)耗散：PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING,。
由于MOSFET 的功率耗散很大程度上取決于其導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，計(jì)算RDS(ON)看似是一個(gè)很好的著手之處,。但MOSFET 的導(dǎo)通電阻取決于結(jié)溫TJ,。返過來,，TJ又取決于MOSFET 中的功率放大器耗散和MOSFET 的熱阻(ΘJA)。這樣,，很難確定空間從何處著手,。由于在功率耗散計(jì)算中的幾個(gè)條件相互依賴，確定其數(shù)值時(shí)需要迭代過程(圖1),。

這一過程從首先假設(shè)各MOSFET 的結(jié)溫開始,，同樣的過程對于每個(gè)MOSFET 單獨(dú)進(jìn)行。MOSFET 的功率耗散和允許的環(huán)境溫度都要計(jì)算,。
當(dāng)允許的周圍溫度達(dá)到或略高于電源封裝內(nèi)和其供電的電路所期望的最高溫度時(shí)結(jié)束,。使計(jì)算的環(huán)境溫度盡可能高看似很誘人，但這通常不是一個(gè)好主意,。這樣做將需要更昂貴的MOSFET 、在MOSFET 下面更多地使用銅片,，或者通過更大或更快的風(fēng)扇使空氣流動(dòng),。所有這些都沒有任何保證。
在某種意義上,，這一方案蒙受了一些“回退”,。畢竟，環(huán)境溫度決定MOSFET 的結(jié)溫,，而不是其他途徑,。但從假設(shè)結(jié)溫開始所需要的計(jì)算，比從假設(shè)環(huán)境溫度開始更易于實(shí)現(xiàn),。
對于開關(guān)MOSFET 和同步整流器兩者,，都是選擇作為此迭代過程開始點(diǎn)的最大允許裸片結(jié)溫(TJ(HOT))。大多數(shù)MOSFET 數(shù)據(jù)參數(shù)頁只給出25°C的最大RDS(ON),，,，但近來有一些也提供了125°C的最大值。MOSFET RDS(ON)隨著溫度而提高,，通常溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C的范圍內(nèi)(圖2),。如果對此有所懷疑，可以采用更悲觀的溫度系數(shù)和MOSFET 在25°C規(guī)格參數(shù)(或125°C的規(guī)格參數(shù),，如果有提供的話)計(jì)算所選擇的TJ(HOT)處的最大RDS(ON)：RDS(ON)HOT=RDS(ON)SPEC×[1+0.005×(TJ(HOT)?TSPEC)]
其中,，RDS(ON)SPEC為用于計(jì)算的MOSFET 導(dǎo)通電阻，而TSPEC為得到RDS(ON)SPEC的溫度,。如下描述,，用計(jì)算得到的RDS(ON)HOT確定MOSFET 和同步整流器的功率耗散。討論計(jì)算各MOSFET 在假定裸片溫度的功率耗散的段落之后,，是對完成此迭代過程所需其他步驟的描述,。

同步整流器的耗散對于除最大負(fù)載外的所有負(fù)載,，在開、關(guān)過程中,，同步整流器的MOSFET 的漏源電壓通過捕獲二極管箝制,。因此，同步整流器沒有引致開關(guān)損耗,，使其功率耗散易于計(jì)算,。需要考慮只是電阻耗散。
最壞情況下?lián)p耗發(fā)生在同步整流器負(fù)載系數(shù)最大的情況下,，即在輸入電壓為最大值時(shí),。通過使用同步整流器的RDS(ON)HOT和負(fù)載系數(shù)以及歐姆定律，就可以計(jì)算出功率耗散的近似值：
PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×[1>-(VOUT/VIN(MAX))]

開關(guān)MOSFET 的耗散
??????? 開關(guān)MOSFET 電阻損耗的計(jì)算與同步整流器的計(jì)算相仿,，采用其(不同的)負(fù)載系數(shù)和RDS(ON)HOT：
PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×(VOUT/VIN)
由于它依賴于許多難以定量且通常不在規(guī)格參數(shù)范圍,、對開關(guān)產(chǎn)生影響的因素，開關(guān)MOSFET 的開關(guān)損耗計(jì)算較為困難,。在下面的公式中采用粗略的近似值作為評估一個(gè)MOSFET 的第一步,，并在以后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對其性能進(jìn)行驗(yàn)證：
PDSWITCHING=(CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE
其中CRSS為MOSFET 的反向轉(zhuǎn)換電容(一個(gè)性能參數(shù))，fSW為開關(guān)頻率,，而IGATE為MOSFET 的啟動(dòng)閾值處(柵極充電曲線平直部分的VGS)的MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)的吸收電流和的源極電流,。
一旦根據(jù)成本(MOSFET 的成本是它所屬于那一代產(chǎn)品的非常重要的功能)將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET ，那一代產(chǎn)品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開關(guān)損耗的型號,。若采用更小(更快)的器件,，則電阻損耗的增加幅度大于開關(guān)損耗的減小幅度;而采用更大(RDS(ON)低)的器件中，則開關(guān)損耗的增加幅度大于電阻損耗的減小幅度,。
如果VIN是變化的,，必須同時(shí)計(jì)算在VIN(MAX)和VIN(MIN)處的開關(guān)MOSFET 的功率耗散。MOSFET 最壞情況下功率耗散將出現(xiàn)在最小或最大輸入電壓處,。耗散為兩個(gè)函數(shù)的和：在VIN(MIN)(較高的負(fù)載系數(shù))處達(dá)到最大的電阻耗散,，和在VIN(MAX)(由于VIN2的影響)處達(dá)到最大的開關(guān)耗散。最理想的選擇略等于在VIN極值的耗散,，它平衡了VIN范圍內(nèi)的電阻耗散和開關(guān)耗散,。
如果在VIN(MIN)處的耗散明顯較高，電阻損耗為主,。在這種情況下,，可以考慮采用較大的開關(guān)MOSFET ，或并聯(lián)多個(gè)以達(dá)到較低的RDS(ON)值,。但如果在VIN(MAX)處的耗散明顯較高,，則可以考慮減小開關(guān)MOSFET 的尺寸(如果采用多個(gè)器件，或者可以去掉MOSFET 以使其可以更快地開關(guān),。

如果所述電阻和開關(guān)損耗平衡但還是太高,，有幾個(gè)處理方式：
??????? 改變題目設(shè)定,。例如，重新設(shè)定輸入電壓范圍;改變開關(guān)頻率,，可以降低開關(guān)損耗,，且可能使更大、更低的RDS(ON)值的開關(guān)MOSFET 成為可能;增大柵極驅(qū)動(dòng)電流,，降低開關(guān)損耗,。MOSFET 自身最終限制了柵極驅(qū)動(dòng)電流的內(nèi)部柵極電阻，實(shí)際上局限了這一方案;采用可以更快同時(shí)開關(guān)并具有更低RDS(ON)值和更低的柵極電阻的改進(jìn)的MOSFET
由于元器件選擇數(shù)量范圍所限,，超出某一特定點(diǎn)對MOSFET 尺寸進(jìn)行精確調(diào)整也許不太可能,，其底線在于MOSFET 在最壞情況下的功率必須得以耗散。

熱阻
??????? 再參考圖1說明,，確定是否正確選擇了用于同步整流器和開關(guān)MOSFET 的MOSFET 迭代過程的下一個(gè)步驟,。這一步驟計(jì)算每個(gè)MOSFET 的環(huán)境空氣溫度，它可能導(dǎo)致達(dá)到假設(shè)的MOSFET 結(jié)溫,。為此,，首先要確定每個(gè)MOSFET 的結(jié)與環(huán)境間的熱阻(ΘJA)。
如果多個(gè)MOSFET 并聯(lián)使用,，可以通過與計(jì)算兩個(gè)或更多關(guān)聯(lián)電阻的等效電阻相同的方法，計(jì)算其組合熱阻,。熱阻也許難以估計(jì),，但測量在一簡單PC板上的單一器件的ΘJA就相當(dāng)容易，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際電源的熱性能難以預(yù)計(jì),，許多熱源在競爭有限的散熱通道,。
讓我們從MOSFET 的ΘJA開始。對于單芯片SO-8MOSFET 封裝,，ΘJA通常在62°C/W附近,。對于其他封裝，帶有散熱柵格或暴露的散熱條,，ΘJA可能在40°C/W和50°C/W之間(參見表),。計(jì)算多高的環(huán)境溫度將引起裸片達(dá)到假設(shè)的TJ(HOT)：
TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)
如果計(jì)算的TAMBIENT比封裝最大標(biāo)稱環(huán)境溫度低(意味著封裝的最大標(biāo)稱環(huán)境溫度將導(dǎo)致超過假設(shè)的MOSFET TJ(HOT))，就要采取以下一種或所有措施：
提高假設(shè)的TJ(HOT)(HOT,，但不要超過數(shù)據(jù)參數(shù)頁給出的最大值;通過選擇更合適的MOSFET ,，降低MOSFET 功率耗散;或者，通過加大空氣流動(dòng)或MOSFET 周圍的銅散熱片面積降低ΘJA,。

然后重新計(jì)算,。采用電子數(shù)據(jù)表以簡化確定可接受的設(shè)計(jì)所要求的典型的多重疊代。另一方面,，如果計(jì)算的比封裝最大標(biāo)稱環(huán)境溫度高得多,，就要采取以下一種或所有措施：
降低假設(shè)的TJ(HOT);減少用于MOSFET 功率耗散的銅散熱片面積;或者,，采用不那么昂貴的MOSFET 。
這些步驟是可選的,，因?yàn)楸景咐蠱OSFET 不會由于超過設(shè)定溫度而損壞,。然而，在TAMBIENT比封裝的最大溫度高時(shí),，這些步驟可以減小板面積和成本,。
該過程中最大的不準(zhǔn)確性來源于ΘJA。仔細(xì)研讀ΘJA規(guī)格參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)頁說明,。典型的規(guī)格說明假設(shè)器件安裝于1平方英寸的2盎司銅片,。銅片承擔(dān)了大部分的散熱，而銅片的大小對ΘJA有顯著影響,。
例如,，采用1平方英寸的銅片，D-Pak的ΘJAD-Pak可能是50°C/W,。但如果銅片就設(shè)在封裝引腳下,，ΘJA值將會加倍(參見表)。采用多個(gè)并聯(lián)MOSFET ,，ΘJA主要依賴于它所安裝的銅片面積,。兩個(gè)元器件的等效ΘJA可能是只有一個(gè)元器件時(shí)的一半，除非銅片的面積加倍,。就是說,，增加并聯(lián)MOSFET 而不同時(shí)增加銅片面積，將使RDS(ON)減半,，但對ΘJA的改變小得多,。
最后，ΘJA的規(guī)格參數(shù)假設(shè)銅片散熱面積不需考慮其他元器件的散熱,。在高電流時(shí),，在功率路徑上的每個(gè)元件，甚至是PC板上的銅材料都會產(chǎn)生熱量,。為避免對的MOSFET（上海諾易電器）過度加熱,，需要仔細(xì)計(jì)估算實(shí)際物理環(huán)境能達(dá)到的ΘJA值;研究所選擇的MOSFET 提供的熱參數(shù)信息;檢查是否有空間用于增加額外的銅片、散熱器和其他器件;確定增加空氣流動(dòng)是否可行;看看在假設(shè)的散熱通道有沒有其他明顯的熱源,，并要估算一下附近元件和空間的加熱或冷卻作用,。

設(shè)計(jì)實(shí)例
??????? 圖3所示CPU內(nèi)核電源在40A提供1.3V。兩個(gè)同樣的20A電源在300kHz運(yùn)行,，提供40A輸出電源,。MAX1718主控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)，而MAX1897從控制器驅(qū)動(dòng)另一個(gè)。該電源輸入范圍在8～20V之間,，指定封裝的最高工組作環(huán)境溫度60°C,。
同步整流器包括兩個(gè)并聯(lián)的IRF7822MOSFET ，在室溫條件下組合的最大RDS(ON)為3.25mΩ,，而假設(shè)TJ(HOT)為115°C時(shí)約為4.7mΩ,。最大負(fù)載系數(shù)94%，20A負(fù)載電流和4.7mΩ最大RDS(ON),，并聯(lián)MOSFET 的耗散約為1.8W,。提供2平方英寸的銅片以進(jìn)行散熱，總ΘJA約為31°C/W,。組合MOSFET 的溫度上升約為55°C,，所以此設(shè)計(jì)將在60°左右的環(huán)境溫度工作。
在室溫下組合的最大RDS(ON)為6mΩ,，在115°C(假設(shè)的TJ(HOT))為8.7mΩ的兩個(gè)并聯(lián)IRF7811WMOSFET 組成開關(guān)MOSFET?,。組合CRSS為240pF。MAX1718以及MAX1897的1Ω柵極驅(qū)動(dòng)輸出約為2A.,。當(dāng)VIN=8V時(shí),，電阻損耗為0.57W，而開關(guān)損耗約為0.05W,。在20V時(shí),，電阻損耗為0.23W，而開關(guān)損耗約為0.29W,。在每個(gè)操作點(diǎn)的總損耗大體平衡,，而在最小VIN處的最壞情況下，等于0.61W,。

由于功率耗散水平不高，我們可以在這對MOSFET 下面提供了0.5平方英寸的銅片,，達(dá)到約55°C/W的總ΘJA,。這樣以35°C的升溫，可以支持達(dá)80°C的環(huán)境溫度,。
本實(shí)例的銅散熱片僅要求對MOSFET 提供,。如果有其它器件散熱，也許要求銅散熱片面積更大,。如果空間不允許增加額外的銅散熱片,，可以減小總功率耗散，將熱量擴(kuò)散到散熱量較低的地方,，或采用其他方法散熱,。
熱能管理是大功率便攜設(shè)計(jì)中最困難的方面之一，它使上述的迭代過程成為必需,。雖然這一過程使板設(shè)計(jì)者已經(jīng)接近于最終設(shè)計(jì),，但還是必須通過實(shí)驗(yàn)室工作最終確定設(shè)計(jì)過程是否準(zhǔn)確,。在實(shí)驗(yàn)室中計(jì)算MOSFET 的熱能特性、確何其散熱通道并檢查計(jì)算結(jié)果,，有助于確?？煽康臒嵩O(shè)計(jì)