大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計算

1.1 同步整流的功耗

除最輕負載外，同步整流MOSFET的漏、源電壓在開(kāi)通和關(guān)閉過(guò)程中都會(huì )被續流二極管鉗位。因此，同步整流幾乎沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗，它的功耗PL只須考慮阻性損耗即可。最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流工作在最大占空比時(shí)，也就是輸入電壓達到最低時(shí)。利用同步整流的R_DS(on)和工作占空比，通過(guò)歐姆定律可以近似計算出它的功耗，即

P_L=〔×R_DS(on)hot〕×（2）

1.2 開(kāi)關(guān)MOSFET的功耗

開(kāi)關(guān)MOSFET的阻性損耗P_R計算和同步整流非常相似，也要利用它的占空比(但不同于前者)和R_DS(on)hot，即

P_R=〔×R_DS(on)hot〕×（3）

開(kāi)關(guān)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗計算起來(lái)比較困難，因為它依賴(lài)于許多難以量化并且沒(méi)有規范的因素，這些因素同時(shí)影響到開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程。為此，可以首先用以下粗略的近似公式對某個(gè)MOSFET進(jìn)行評價(jià)，然后通過(guò)實(shí)驗對其性能進(jìn)行驗證，即

P_S=（4）

式中：C_rss為MOSFET的反向傳輸電容(數據手冊中的一個(gè)參數)；

f_s為開(kāi)關(guān)頻率；

I_gatb為MOSFET的柵極驅動(dòng)器在MOSFET處于臨界導通(V_gs位于柵極充電曲線(xiàn)的平坦區域)時(shí)的吸收／源出電流。

若從成本因素考慮，將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差別很大)，就可以在這一代的器件中找到一個(gè)能夠使功率耗散最小的器件。這個(gè)器件應該具有均衡的阻性和開(kāi)關(guān)損耗,使用更小、更快的器件所增加的阻性損耗將超過(guò)它在開(kāi)關(guān)損耗方面的降低，而使用更大〔而R_DS(on)更低〕的器件所增加的開(kāi)關(guān)損耗將超過(guò)它對于阻性損耗的降低。

如果V_in是變化的，需要在V_in(max)和V_in(min)下分別計算開(kāi)關(guān)MOSFET的功耗。最壞情況可能會(huì )出現在最低或最高輸入電壓下。該功耗是兩種因素之和：在V_in(min)時(shí)達到最高的阻性耗散(占空比較高),以及在V_in(max)時(shí)達到最高的開(kāi)關(guān)損耗。一個(gè)好的選擇應該在V_in的兩種極端情況下具有大致相同的功耗，并且在整個(gè)V_in范圍內保持均衡的阻性和開(kāi)關(guān)損耗。

如果損耗在V_in(min)時(shí)明顯高出，則阻性損耗起主導作用。這種情況下，可以考慮用一個(gè)電流更大一點(diǎn)的MOSFET(或將一個(gè)以上的MOSFET相并聯(lián))以降低R_DS(on)。但如果在V_in(max)時(shí)損耗顯著(zhù)高出，則應該考慮用電流小一點(diǎn)的MOSFET(如果是多管并聯(lián)的話(huà)，或者去掉一個(gè)M0SFET)，以便使其開(kāi)關(guān)速度更快一點(diǎn)。如果阻性和開(kāi)關(guān)損耗已達平衡，但總功耗仍然過(guò)高，也有多種辦法可以解決：

——改變或重新定義輸入電壓范圍；

——降低開(kāi)關(guān)頻率以減小開(kāi)關(guān)損耗，或選用R_DS(on)更低的MOSFET；

——增加柵極驅動(dòng)電流，有可能降低開(kāi)關(guān)損耗；

——采用一個(gè)技術(shù)改進(jìn)的MOSFET，以便同時(shí)獲得更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的R_DS(on)和更低的柵極電阻。

需要指正的是,脫離某個(gè)給定的條件對MOSFET的尺寸作更精細的調整是不大可能的，因為器件的選擇范圍是有限的。選擇的底線(xiàn)是MOSFET在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。

2 關(guān)于熱阻

按照圖1所示，繼續進(jìn)行迭代過(guò)程的下一步，以便尋找合適的MOSFET來(lái)作為同步整流和開(kāi)關(guān)MOSFET。這一步是要計算每個(gè)MOSFET周?chē)沫h(huán)境溫度，在這個(gè)溫度下，MOSFET結溫將達到我們的假定值。為此，首先需要確定每個(gè)MOSFET結到環(huán)境的熱阻θ_JA。