高功率便攜式DC-DC轉換中MOSFET功耗的計算

圖2 典型MOSFET的導通電阻溫度系數

圖3 該降壓型開(kāi)關(guān)調節器中的MOSFET經(jīng)本文選代過(guò)程選出，用于驅動(dòng)高性能CPU

表1 MOSFET封裝的典型熱阻

在設計高電流電源時(shí)，MOSFET是最難確定的元件。這一點(diǎn)在筆記本電腦中尤其顯著(zhù)，電源設計常常要面臨狹小的空間、靜止的氣流以及來(lái)自于附近其它元件的熱量等不利因素。而且，除了電源下面少量的印制板銅膜外，沒(méi)有任何其它手段可以用來(lái)協(xié)助耗散功率。在挑選MOSFET時(shí)，首先要考慮有足夠的電流處理能力，并具有足夠的散熱通道，還要量化地考慮必要的熱耗和保證足夠的散熱路徑。本文將逐步說(shuō)明如何計算這些MOSFET的功率耗散，并確定它們的工作溫度。然后，通過(guò)分析一個(gè)多相、同步整流、降壓型CPU核電源中某一個(gè)20A單相的設計實(shí)例，進(jìn)一步闡明這些概念。

計算MOSFET的耗散功率
為了確定MOSFET是否適合于某特定應用，必須計算一下其功率耗散，主要包含阻性和開(kāi)關(guān)損耗兩部分：
PDDEVICE TOTAL = PDRESISTIVE + PDSWITCHING
由于MOSFET的功率耗散很大程度上依賴(lài)于它的導通電阻(RDS(ON))，因此從計算RDS(ON)出發(fā)。但是MOSFET的RDS(ON)與它的結溫(TJ)有關(guān)，TJ又依賴(lài)于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(qJA)。本文采用一種迭代過(guò)程獲得所需要的結果，如圖1所示。
迭代過(guò)程始于為每個(gè)MOSFET假定一個(gè)結溫，然后，計算每個(gè)MOSFET各自的功率耗散和允許的環(huán)境溫度，當允許的環(huán)境氣溫達到或略高于期望的機殼內最高溫度時(shí)，此過(guò)程結束。有些設計試圖使這個(gè)計算所得的環(huán)境溫度盡可能高，這樣作就要求采用更昂貴的MOSFET，在MOSFET下鋪設更多的銅膜，或者要求采用一個(gè)更大、更快速的風(fēng)扇產(chǎn)生氣流——這些都不是我們所期望的。
本文采用逆向的考慮方法，先假定一個(gè)MOSFET結溫，然后再計算環(huán)境溫度。對于開(kāi)關(guān)MOSFET和同步整流器，可以選擇一個(gè)最大允許的管芯結溫(TJ(HOT))作為迭代過(guò)程的出發(fā)點(diǎn)。多數MOSFET的數據手冊只規定了25℃下的最大RDS(ON)，不過(guò)最近有些產(chǎn)品也提供了125℃下的最大值。MOSFET的RDS(ON)隨著(zhù)溫度而增加，典型溫度系數在0.35%/℃至0.5%/℃之間，見(jiàn)圖2。如果拿不準，可以用一個(gè)較為保守的溫度系數和MOSFET的25℃規格(或125℃規格，如果有的話(huà))近似估算在選定的TJ(HOT)下的最大RDS(ON)：
RDS(ON)HOT = RDS(ON)SPEC[1 + 0.005 (TJ(HOT) - TSPEC)]
其中，RDS(ON)SPEC是計算所用的MOSFET導通電阻，TSPEC是規定RDS(ON)SPEC時(shí)的溫度。利用計算出的RDS(ON)SPEC，可以確定同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET的功率消耗，具體做法如下所述。
下面將討論如何計算各個(gè)MOSFET在給定的管芯溫度下的功率消耗，以及完成迭代過(guò)程的后續步驟(整個(gè)過(guò)程詳述于圖1)。
圖1展示了選擇各MOSFET(同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET)的迭代過(guò)程。在此過(guò)程中，各MOSFET的結溫為假定值，兩個(gè)MOSFET的功率耗散和允許環(huán)境溫度通過(guò)計算得出。當允許的環(huán)境溫度達到或略高于我們所期望的機箱內最高溫度時(shí)(機箱內安裝了電源及其所驅動(dòng)的電路)，此過(guò)程結束。

同步整流器的功率消耗
除最輕負載以外，各種情況下同步整流器MOSFET的漏-源電壓在打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中都會(huì )被續流二極管鉗位。因此，同步整流器幾乎沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗，它的功率消耗很容易計算，只需要考慮阻性損耗即可。
最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流器工作在最大占空比時(shí)，也就是當輸入電壓達到最大時(shí)。利用同步整流器的RDS(ON)SPEC和工作占空比，通過(guò)歐姆定律，可以近似計算出它的功率消耗：
PDSYNCHRONOUS RECTIFIER=[ILOAD2 ·RDS(ON)HOT]·[1-(VOUT/VINMAX)]

開(kāi)關(guān)MOSFET的功率耗散
開(kāi)關(guān)MOSFET的阻性損耗計算和同步整流器非常相似，也要利用它的占空比(不同于前者)和RDS(ON)SPEC：
PDRESISTIVE=[ILOAD2·RDS(ON)HOT] ·(VOUT / VIN)
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通常沒(méi)有規格的因素，這些因素同時(shí)影響到打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程?？梢杂靡韵麓致缘慕乒綄δ硞€(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：
PDSWITCHING = (CRSS·VIN2·fSW ·ILOAD) / IGATE
其中CRSS是MOSFET的反向傳輸電容(數據手冊中的一個(gè)參數)，fSW為開(kāi)關(guān)頻率，IGATE是MOSFET的柵極驅動(dòng)器在MOSFET處于臨界導通(VGS位于柵極充電曲線(xiàn)的平坦區域)時(shí)的吸收/源出電流。
選定功率耗散最小的MOSFET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，而更大(RDS(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VIN是變化的，需要在VIN(MAX)和VIN(MIN)下分別計算開(kāi)關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET功率耗散的最壞情況可能會(huì )出現在最低或最高輸入電壓下。該耗散功率是兩種因素之和：在VIN(MIN)時(shí)達到最高的阻性耗散(占空比較高)，以及在VIN(MAX)時(shí)達到最高的開(kāi)關(guān)損耗(由于VIN2項的緣故)。一個(gè)好的選擇應該在VIN的兩種極端情況下具有大致相同的耗散，并且在整個(gè)VIN范圍內保持均衡的阻性和開(kāi)關(guān)損耗。
如果損耗在VIN(MIN)時(shí)明顯高，則阻性損耗起主導作用。這種情況下，可以考慮用一個(gè)更大一點(diǎn)的開(kāi)關(guān)MOSFET(或將一個(gè)以上的多個(gè)管子相并聯(lián))以降低RDS(ON)。但如果在VIN(MAX)時(shí)損耗顯著(zhù)高，則應該考慮降低開(kāi)關(guān)MOSFET的尺寸(如果是多管并聯(lián)的話(huà)，或者去掉一個(gè)MOSFET)，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，有多種辦法可以解決：
?改變問(wèn)題的定義。例如，重新定義輸入電壓范圍。
?改變開(kāi)關(guān)頻率以便降低開(kāi)關(guān)損耗，有可能使用更大一點(diǎn)、RDS(ON)更低的開(kāi)關(guān)MOSFET。
?增加柵極驅動(dòng)電流，有可能降低開(kāi)關(guān)損耗。MOSFET自身的內部柵極電阻最終限制了柵極驅動(dòng)電流，實(shí)際上限制了這種方法的有效性。
?采用一個(gè)改進(jìn)技術(shù)的MOSFET，以便同時(shí)獲得更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的RDS(ON)和更低的柵極電阻。
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。

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)作為同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET。這一步是要計算每個(gè)MOSFET周?chē)沫h(huán)境氣溫，在這個(gè)溫度下，MOSFET結溫將達到假定值。為此，首先需要確定每個(gè)MOSFET結到環(huán)境的熱阻(qJA)。
熱阻的估算可能會(huì )比較困難。單一器件在一個(gè)簡(jiǎn)單的印刷板上的qJA的測算相對容易一些，而要在一個(gè)系統內去預測實(shí)際電源的熱性能是很困難的，那里有許多熱源在爭奪有限的散熱通道。如果有多個(gè)MOSFET被并聯(lián)使用，其整體熱阻的計算方法，和計算兩個(gè)以上并聯(lián)電阻的等效電阻一樣。
在此從MOSFET的qJA規格開(kāi)始。對于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來(lái)講，qJA通常接近于62℃/W。其他類(lèi)型的封裝，有些帶有散熱片或暴露的導熱片，其熱阻一般會(huì )在40℃/W至50℃/W(表1)?？梢杂孟旅娴墓接嬎鉓OSFET的管芯相對于環(huán)境的溫升：
TJ(RISE) = PDDEVICE TOTALqJA
接下來(lái)，計算導致管芯達到預定TJ(HOT)時(shí)的環(huán)境溫度：
TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)
如果計算出的TAMBIENT低于機殼的最大額定環(huán)境溫度(意味著(zhù)機殼的最大額定環(huán)境溫度將導致MOSFET的預定TJ(HOT)被突破)，必須采用下列一條或更多措施：
?升高預定的TJ(HOT)，但不要超出數據手冊規定的最大值。
?選擇更合適的MOSFET以降低MOSFET的功耗。
?通過(guò)增加氣流或MOSFET周?chē)你~膜降低qJA。
重算TAMBIENT(采用速算表可以簡(jiǎn)化計算過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次反復方可選出一個(gè)可接受的設計)。
另一方面，如果計算出的TAMBIENT高出機殼的最大額定環(huán)境溫度很多，可以采取下述可選步驟中的任何一條或全部：
?降低預定的TJ(HOT)。
?減小專(zhuān)用于MOSFET散熱的銅膜面積。
?采用更廉價(jià)的MOSFET。
這些步驟是可選的，因為在此情況下MOSFET不會(huì )因過(guò)熱而損壞。不過(guò)，通過(guò)這些步驟，只要保證TAMBIENT高出機殼最高溫度一定裕量，就可以降低線(xiàn)路板面積和成本。
上述計算過(guò)程中最大的誤差源來(lái)自于qJA。仔細閱讀數據手冊中有關(guān)qJA規格的所有注釋發(fā)現，一般規范都假定器件安裝在1平方英寸的2oz銅膜上，銅膜耗散了大部分的功率，不同數量的銅膜qJA差別很大。例如，帶有1平方英寸銅膜的D-Pak封裝qJA會(huì )達到50℃/W。但是如果只將銅膜鋪設在引腳的下面，qJA將高出兩倍，見(jiàn)表1。
如果將多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，qJA主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個(gè)器件的等效qJA可以是單個(gè)器件的一半，但必須同時(shí)加倍銅膜面積。也就是說(shuō)，增加一個(gè)并聯(lián)的MOSFET而不增加銅膜的話(huà)，可以使RDS(ON)減半但不會(huì )改變qJA很多。
最后，qJA規范通常都假定沒(méi)有任何其它器件向銅膜的散熱區傳遞熱量。但在高電流情況下，功率通路上的每個(gè)元件，甚至是印刷板線(xiàn)條都會(huì )產(chǎn)生熱量。為了避免MOSFET過(guò)熱，需仔細估算實(shí)際情況下的qJA，并采取下列措施：
?仔細研究選定MOSFET現有的熱性能方面的信息。
?考察是否有足夠的空間，以便設置更多的銅膜、散熱器和其它器件。
?確定是否有可能增加氣流。
?觀(guān)察一下在假定的散熱路徑上，是否有其它顯著(zhù)散熱的器件。
?估計一下來(lái)自周?chē)蚩臻g的過(guò)剩熱量或冷量。

設計實(shí)例
圖3所示的CPU核電源提供1.3V/40A輸出。兩個(gè)工作于300kHz的相同的20A功率級總共提供40A輸出電流。MAX1718主控制器驅動(dòng)其中一級，而MAX1897從控制器驅動(dòng)另一級。該電源的輸入范圍8V至20V，機殼的最大額定環(huán)境溫度為60℃。
同步整流器由兩片并聯(lián)的IRF7822 MOSFET組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為3.25mW，在115℃(預定的TJ(HOT))下近似為4.7mW。在最大占空比94%，20A負載電流，以及4.7mW最大RDS(ON)時(shí)，這些并聯(lián)MOSFET的功耗大約為1.8W。提供2in2銅膜來(lái)耗散這些功率，總體qJA大約為31℃/W。組合MOSFET的溫升將接近于55℃，因此該設計應該能夠工作在最高60℃的環(huán)境溫度下。
開(kāi)關(guān)MOSFET由兩只IRF7811W MOSFET并聯(lián)組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為6mW，在115℃(預定的TJ(HOT))下近似為8.7mW，組合后的CRSS為240pF。MAX1718和MAX1897的1W柵極驅動(dòng)器可提供將近2A驅動(dòng)。VIN=8V時(shí)，阻性損耗為0.57W，而開(kāi)關(guān)損耗近似為0.05W。輸入為20V時(shí)，阻性損耗為0.23W而開(kāi)關(guān)損耗近似為0.29W?？倱p耗在各工作點(diǎn)大致保持平衡，最壞情況(最低VIN)下的總損耗為0.61W。
由于這個(gè)功耗水平不算高，只需在這些MOSFET下面鋪設0.5in2的銅膜面積，達到將近55℃/W的總體qJA。這將產(chǎn)生35℃的溫升，允許工作于最高80℃的環(huán)境溫度。
本例中的銅膜面積只考慮了MOSFET的需求。如果還有其它器件向這個(gè)區域散熱的話(huà)，可能還需要更多的敷銅面積。如果沒(méi)有足夠的空間增加敷銅，則可以降低總功耗，傳遞熱量到低耗散區，或者采用主動(dòng)的辦法將熱量移走。

結語(yǔ)
熱管理是高功率便攜式設計中難度較大的領(lǐng)域之一，這種難度迫使我們有必要采用上述迭代過(guò)程。盡管該過(guò)程能夠引領(lǐng)板級設計者靠近最終設計，但是還必須通過(guò)實(shí)驗來(lái)最終確定設計流程是否足夠精確。計算MOSFET的熱性能，提供足夠的耗散途徑，然后在實(shí)驗室中檢驗這些計算，將有助于獲得一個(gè)更佳的熱設計?！?BR>