大功率電源中MOSFET功率計算

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計算功率耗散
??????? 要確定一個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行計算,。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通電阻(RDS(ON))，計算RDS(ON)看似是一個很好的著手之處,。但MOSFET的導通電阻取決于結(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。由于在功率耗散計算中的幾個條件相互依賴,，確定其數(shù)值時需要迭代過程(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MOSFET單獨進行,。MOSFET的功率耗散和允許的環(huán)境溫度都要計算,。
當允許的周圍溫度達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結(jié)束。使計算的環(huán)境溫度盡可能高看似很誘人,，但這通常不是一個好主意,。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扇使空氣流動,。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)溫開始所需要的計算，比從假設(shè)環(huán)境溫度開始更易于實現(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,。MOSFETRDS(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為用于計算的MOSFET導通電阻,，而TSPEC為得到RDS(ON)SPEC的溫度。如下描述,，用計算得到的RDS(ON)HOT確定MOSFET和同步整流器的功率耗散,。討論計算各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載外的所有負載,，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)生在同步整流器負載系數(shù)最大的情況下,，即在輸入電壓為最大值時,。通過使用同步整流器的RDS(ON)HOT和負載系數(shù)以及歐姆定律，就可以計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電阻損耗的計算與同步整流器的計算相仿,，采用其(不同的)負載系數(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MOSFET的第一步,，并在以后在實驗室內(nèi)對其性能進行驗證：
PDSWITCHING=(CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE
其中CRSS為MOSFET的反向轉(zhuǎn)換電容(一個性能參數(shù))，fSW為開關(guān)頻率,，而IGATE為MOSFET的啟動閾值處(柵極充電曲線平直部分的VGS)的MOSFET柵極驅(qū)動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,，必須同時計算在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。耗散為兩個函數(shù)的和：在VIN(MIN)(較高的負載系數(shù))處達到最大的電阻耗散,，和在VIN(MAX)(由于VIN2的影響)處達到最大的開關(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)多個以達到較低的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)動電流,，降低開關(guān)損耗。MOSFET自身最終限制了柵極驅(qū)動電流的內(nèi)部柵極電阻,，實際上局限了這一方案;采用可以更快同時開關(guān)并具有更低RDS(ON)值和更低的柵極電阻的改進的MOSFET技術(shù),。
由于元器件選擇數(shù)量范圍所限，超出某一特定點對MOSFET尺寸進行精確調(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迭代過程的下一個步驟,。這一步驟計算每個MOSFET的環(huán)境空氣溫度,，它可能導致達到假設(shè)的MOSFET結(jié)溫。為此,，首先要確定每個MOSFET的結(jié)與環(huán)境間的熱阻(ΘJA),。
如果多個MOSFET并聯(lián)使用，可以通過與計算兩個或更多關(guān)聯(lián)電阻的等效電阻相同的方法,，計算其組合熱阻,。熱阻也許難以估計，但測量在一簡單PC板上的單一器件的ΘJA就相當容易,，系統(tǒng)內(nèi)實際電源的熱性能難以預(yù)計,，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),。計算多高的環(huán)境溫度將引起裸片達到假設(shè)的TJ(HOT)：
TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)
如果計算的TAMBIENT比封裝最大標稱環(huán)境溫度低(意味著封裝的最大標稱環(huán)境溫度將導致超過假設(shè)的MOSFETTJ(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，通過加大空氣流動或MOSFET周圍的銅散熱片面積降低ΘJA,。

然后重新計算,。采用電子數(shù)據(jù)表以簡化確定可接受的設(shè)計所要求的典型的多重疊代。另一方面,，如果計算的比封裝最大標稱環(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,，因為本案例中MOSFET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,，這些步驟可以減小板面積和成本。
該過程中最大的不準確性來源于ΘJA,。仔細研讀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),。采用多個并聯(lián)MOSFET,，ΘJA主要依賴于它所安裝的銅片面積。兩個元器件的等效ΘJA可能是只有一個元器件時的一半,，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,，在功率路徑上的每個元件，甚至是PC板上的銅材料都會產(chǎn)生熱量,。為避免對的MOSFET過度加熱,，需要仔細計估算實際物理環(huán)境能達到的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)計實例
??????? 圖3所示CPU內(nèi)核電源在40A提供1.3V。兩個同樣的20A電源在300kHz運行,，提供40A輸出電源,。MAX1718主控制器驅(qū)動一個，而MAX1897從控制器驅(qū)動另一個,。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時約為4.7mΩ。最大負載系數(shù)94%,，20A負載電流和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)動輸出約為2A.。當VIN=8V時,，電阻損耗為0.57W,，而開關(guān)損耗約為0.05W。在20V時,，電阻損耗為0.23W,，而開關(guān)損耗約為0.29W。在每個操作點的總損耗大體平衡,，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,，達到約55°C/W的總ΘJA,。這樣以35°C的升溫，可以支持達80°C的環(huán)境溫度,。
本實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，將熱量擴散到散熱量較低的地方,，或采用其他方法散熱,。