詳解大功率電源中MOSFET功耗的計算

也許，今天的便攜式電源設計者所面臨的最嚴峻挑戰就是為當今的高性能CPU提供電源。CPU的電源電流最近每?jì)赡昃头环?。事?shí)上，今天的便攜式核電源電流需求會(huì )高達60A或更多，電壓介于0.9V和1.75V之間。但是，盡管電流需求在穩步增長(cháng)，留給電源的空間卻并沒(méi)有增加—這個(gè)現實(shí)已達到了熱設計的極限甚至超出。

如此高電流的電源通常被分割為兩個(gè)或更多相，每一相提供15A到30A。這種方式使元件的選擇更容易。例如，一個(gè)60A電源變成了兩個(gè)30A電源。但是，這種方法并沒(méi)有額外增加板上空間，對于熱設計方面的挑戰基本上沒(méi)有多大幫助。

在設計大電流電源時(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)，這樣的環(huán)境中，散熱器、風(fēng)扇、熱管和其它散熱手段通常都留給了CPU。這樣，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的挑戰。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)，首先是要選擇有足夠的電流處理能力，并具有足夠的散熱通道的器件。最后還要量化地考慮必要的熱耗和保證足夠的散熱路徑。本文將一步一步地說(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)30A單相的設計實(shí)例，進(jìn)一步闡明這些概念。

為了確定一個(gè)MOSFET是否適合于某特定應用，你必須計算一下其功率耗散，它主要包含阻性和開(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))，計算RDS(ON)看上去是一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。但是MOSFET的RDS(ON)與它的結溫(TJ)有關(guān)。話(huà)說(shuō)回來(lái)，TJ又依賴(lài)于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(ΘJA)。這樣，似乎很難找到一個(gè)著(zhù)眼點(diǎn)。由于功率耗散的計算涉及到若干個(gè)相互依賴(lài)的因素，我們可以采用一種迭代過(guò)程獲得我們所需要的結果(圖1)。

圖1. 該流程圖展示了選擇各MOSFET (同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET)的迭代過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，各MOSFET的結溫為假設值，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)，這個(gè)過(guò)程就結束了。

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電源及其所驅動(dòng)的電路所在的機殼的期望最高溫度時(shí)，這個(gè)過(guò)程便結束了。

有些人總試圖使這個(gè)計算所得的環(huán)境溫度盡可能高，但通常這并不是一個(gè)好主意。這樣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—所有這些都不是我們所期望的。

從某種意義上講，先假定一個(gè)MOSFET結溫，然后再計算環(huán)境溫度，這是一種逆向的考慮方法。畢竟環(huán)境溫度決定了MOSFET的結溫—而不是相反。不過(guò)，從一個(gè)假定的結溫開(kāi)始計算要比從環(huán)境溫度開(kāi)始容易一些。

對于開(kāi)關(guān)MOSFET和同步整流器，我們可以選擇一個(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的數據資料只規定了+25°C下的最大RDS(ON)，不過(guò)最近有些MOSFET文檔也給出了+125°C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%/°C至0.5%/°C之間(圖2)。

圖2. 典型功率MOSFET的導通電阻的溫度系數在0.35%每度(綠線(xiàn))至0.5%每度(紅線(xiàn))之間

如果拿不準，可以用一個(gè)較差的溫度系數和MOSFET的+25°C規格(或+125°C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)HOT，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。

在下面的章節中，我們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)。

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)HOT和工作占空比，通過(guò)歐姆定律，我們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)HOT：

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。我們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：

PDSWITCHING = (CRSS × VIN2 × fSW × ILOAD)/IGATE

其中CRSS是MOSFET的反向傳輸電容(數據資料中的一個(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/流出電流。

一旦基于成本因素將選擇范圍縮小到了特定的某一代MOSFET (不同代MOSFET 的成本差別很大)，我們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MOSFET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)明顯高出，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)高出，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)的、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。

下一步是要計算每個(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(按照前面圖1所示的迭代過(guò)程，確定合適的MOSFET來(lái)作為同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET)。為此，首先需要確定每個(gè)MOSFET結到環(huán)境的熱阻(ΘJA)。

熱阻的估算可能會(huì )比較困難。單一器件在一個(gè)簡(jiǎn)單PCB上的ΘJA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。

我們可以從MOSFET的ΘJA規格開(kāi)始。對于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來(lái)講，ΘJA通常接近于62°C/W。其他類(lèi)型的封裝，有些帶有散熱片或裸露的導熱片，其熱阻一般會(huì )在40°C/W至50°C/W (表1)。

表1. MOSFET封裝的典型熱阻

可以用下面的公式計算MOSFET的管芯相對于環(huán)境的溫升：

TJ(RISE) = PDDEVICE TOTAL × ΘJA

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ΘJA。

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散熱的覆銅面積。

• 采用更廉價(jià)的MOSFET。

最后這幾個(gè)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，我們可以降低線(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ΘJA。你應該仔細閱讀數據資料中有關(guān)ΘJA規格的所有注釋。一般規范都假定器件安裝在1in2的2oz銅膜上。銅膜耗散了大部分的功率，不同數量的銅膜ΘJA差別很大。例如，帶有1in2銅膜的D-Pak封裝ΘJA會(huì )達到50°C/W。但是如果只將銅膜鋪設在引腳的下面，ΘJA將高出兩倍(表1)。

如果將多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，ΘJA主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個(gè)器件的等效ΘJA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ΘJA很多。

最后，ΘJA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PCB引線(xiàn)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ΘJA，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。

圖3. 該降壓型開(kāi)關(guān)調節器中的MOSFET經(jīng)由本文所述的迭代過(guò)程選出。板級設計者通常采用該類(lèi)型的開(kāi)關(guān)調節器驅動(dòng)今天的高性能CPU。

同步整流器由兩片并聯(lián)的IRF6603 MOSFET組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為2.75mΩ，在+125°C (預定的TJ(HOT))下近似為4.13mΩ。在最大占空比94%，30A負載電流，以及4.13mΩ最大RDS(ON)時(shí)，這些并聯(lián)MOSFET的功耗大約為3.5W。提供2in2銅膜來(lái)耗散這些功率，總體ΘJA大約為18°C/W，該熱阻值取自MOSFET的數據資料。組合MOSFET的溫升將接近于+63°C，因此該設計應該能夠工作在最高+60°C的環(huán)境溫度下。

開(kāi)關(guān)MOSFET由兩只IRF6604 MOSFET并聯(lián)組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為6.5mΩ，在+125°C (預定的TJ(HOT))下近似為9.75mΩ。組合后的CRSS為380pF。MAX1544的1Ω高邊柵極驅動(dòng)器可提供將近1.6A的驅動(dòng)。VIN = 7V時(shí)，阻性損耗為1.63W，而開(kāi)關(guān)損耗近似為0.105W。輸入為VIN = 24V時(shí)，阻性損耗為0.475W 而開(kāi)關(guān)損耗近似為1.23W?？倱p耗在各輸入工作點(diǎn)大致相等，最壞情況(最低VIN)下的總損耗為1.74W。

28°C/W的ΘJA將產(chǎn)生+46°C的溫升，允許工作于最高+80°C的環(huán)境溫度。若環(huán)境溫度高于封裝的最大規定溫度，設計人員應考慮減小用于MOSFET的覆銅面積，盡管該步驟不是必須的。本例中的覆銅面積只單獨考慮了MOSFET的需求。如果還有其它器件向這個(gè)區域散熱的話(huà)，可能還需要更多的覆銅面積。如果沒(méi)有足夠的空間增加覆銅，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。