《大功率电源中MOSFET热设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大功率电源中MOSFET热设计（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电源工程师指南：大功率电源中MOSFET功耗的计算摘要：功率MOSFET是便携式设备中大功率开关电源的主要组成部分。此外，对于散热量极低的笔记本电脑来说，MOSFET是最难确定的元 件。本文给出了计算MOSFET功耗以及确定其工作温度的步骤，并通过多相、同步整流、降压型U核电源中一个30A单相的分布计算示例，详 细说明了上述概念。也许，今天的便携式电源设计者所面临的最严峻挑战就是为当今的高性能CPU提供电源。CPU的电源电流最近每两年就翻一番。事实上，今天的 便携式核电源电流需求会高达60A或更多，电压介于0.9V和1.75V之间。但是，尽管电流需求在稳步增长，留给电源的空间却并没有增加一这个
2、 现实已达到了热设计的极限甚至超出。如此高电流的电源通常被分割为两个或更多相，每一相提供15A到30A。这种方式使元件的选择更容易。例如，一个60A电源变成了两个30A电 源。但是，这种方法并没有额外增加板上空间，对于热设计方面的挑战基本上没有多大帮助。在设计大电流电源时，MOSFET是最难确定的元件。这一点在笔记本电脑中尤其显著，这样的环境中，散热器、风扇、热管和其它散热手段通常都 留给了 CPU。这样，电源设计常常要面临狭小的空间、静止的气流以及来自于附近其它元件的热量等不利因素的挑战。而且，除了电源下面少量的 印制板铜膜外，没有任何其它手段可以用来协助耗散功率。在挑选MOSFET时，首先
3、是要选择有足够的电流处理能力，并具有足够的散热通道的器件。最后还要量化地考虑必要的热耗和保证足够的散热路 径。本文将一步一步地说明如何计算这些MOSFET的功率耗散，并确定它们的工作温度。然后，通过分析一个多相、同步整流、降压型CPU核电 源中某一个30A单相的设计实例，进一步阐明这些概念。计算MOSFET的耗散功率为了确定一个MOSFET是否适合于某特定应用，你必须计算一下其功率耗散，它主要包含阻性和开关损耗两部分：PDdevICE TOTAL - PDresisTIVE + PDswitCHING由于MOSFET的功率耗散很大程度上依赖于它的导通电阻（Rd，计算R村看上去是一个很好的出发点
4、。但是MOSFET的R村与它的结温（T） 有关。话说回来，T又依赖于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的热阻（笋）。这样，似乎很难找到一个着眼点。由于功率耗散的计算涉及到若干 j ja个相互依赖的因素，我们可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果（图1 ）。r MMWN-、 K?n9idarabl nona than tha &汩腿ur畋 specified tmufimLn1 j/ AMU ent X IB3& than th& 、. enelo&ua apenled ruMimuni /GafculsbBlha fVOSFETs W睥b 3* he assumed TjizstimBt
5、s te 皿 of lha MOSFET including its zhermai il&9lpBt ci pathIVCu ffSy Ifiwflf the 明 sumad T岬中;AV.faf RBlatl 3 less-ejcpanava MOsrET and .or raducfi- Lhe 甲ippr牌d包Ed ID IWCJSFT pQg T雄褂MiflA. Ihuiinb心winguiLuialeihE! uas-rrs 咿ur 4Q$lQn usfing R|jg州曲 ICllauttf jnitjiun：ft网nAuF* would cau thu MosrrT .njty
6、n ty msuh hn hsssueoU Tonipunrurt T俱7小veu nusl:ha asa. Triad Twfbalrar mOSFlTgndr incroaw ths ceppar ddiciedMaSCT pQwAT神冲中dfitising 风 mI 口Hiuuiaieme mcisftm：i:rrX!ndurOiSO(T.l!RjgE，l) 檀加 EWiiHFilA3ufdb ajLindlon ternperELire rijno-) farihs MOSFtr图1.该流程图展示了选择枷。，任同步整流器和开关MOSFET）的迭代过程。在这个过程中，各MOSFET的结温
7、为假设值，两个MOSFET 的功率耗散和允许环境温度通过计算得出。当允许的环境温度达到或略高于我们所期望的机箱内最高温度时内安装了电源及其所驱动的电路 这个过程就结束了。迭代过程始于为每个MOSFET假定一个结温，然后，计算每个MOSFET各自的功率耗散和允许的环境温度。当允许的环境气温达到或略高于电源 及其所驱动的电路所在的机壳的期望最高温度时，这个过程便结束了。有些人总试图使这个计算所得的环境温度尽可能高，但通常这并不是一个好主意。这样作就要求米用更昂贵的MOSFET,在MOSFET下铺设更多 的铜膜，或者要求采用一个更大、更快速的风扇产生气流一所有这些都不是我们所期望的。从某种意义上讲，
8、先假定一个MOSFET结温，然后再计算环境温度，这是一种逆向的考虑方法。毕竟环境温度决定了 MOSFET的结温一而不是相 反。不过，从一个假定的结温开始计算要比从环境温度开始容易一些。对于开关MOSFET和同步整流器，我们可以选择一个最大允许的管芯结温（T ）作为迭代过程的出发点。多数MOSFET的数据资料只规定了 +25CJ（HOT）下的最大Rs。，不过最近有些MOSFET文档也给出了+125C下的最大值。MOSFET的Rqn随着温度而增加，典型温度系数在0.35%/C至0.5%/C 之间涸 2）。DS（ON）Tampfl-ratura 气图2.典型功率MOSFET的导通电阻的温度系数在!3
9、5%每度绿绚至0.5%每度红绚之间如果拿不准，可以用一个较差的温度系数和MOSFET的+25C规格（或+125C规格，如果有的话）近似估算在选定的Tj（hot）下的最大Rds（on）:Rds（on）hot = RDS（ON）SPEC 1 + 01005 X （TJ（HOT） - Tspec）其中，R是计算所用的MOSFET导通电阻，T 是规定R 时的温度。利用计算出的R，可以确定同步整流器和开关MOSFET的功率椭，具体做法如下所述。 DS（0N）SPECDS（0N）H0T在下面的章节中，我们将讨论如何计算各个MOSFET在给定的管芯温度下的功率消耗，以及完成迭代过程的后续步骤（整个过程详述于
10、图1）。同步整流器的功耗除最轻负载以外，各种情况下同步整流器MOSFET的漏-源电压在打开和关闭过程中都会被续流二极管钳位。因此，同步整流器几乎没有开关损耗， 它的功率消耗很容易计算。只需要考虑阻性损耗即可。最坏情况下的损耗发生在同步整流器工作在最大占空比时，也就是当输入电压达到最大时。利用同步整流器的rdnht和工作占空比，通过欧姆定 律，我们可以近似计算出它的功率消耗：DS（0N）H0TSYNCHRONOUS RECTIFIER - lOAD X DS（ON）HO OUINMAX开关MOSFET的功耗开关MOSFET的阻性损耗计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R
11、:DS（ON）HOTPDresistive = Iload2 X Rds（on）hot X （Vout/Vin）开关MOSFET的开关损耗计算起来比较困难，因为它依赖于许多难以量化并且通常没有规格的因素，这些因素同时影响到打开和关闭过程。我们 可以首先用以下粗略的近似公式对某个MOSFET进行评价，然后通过实验对其性能进行验证：PDswitching = （CRSS X Vin2 X fsw X Iload）/Igate其中CR s是MOSFET的反向传输电容（数据资料中的一个参数），fsw为开关频率，IgATE是MOSFET的栅极驱动器在MOSFET处于临界导通（Vg位于 栅极充电曲线的平坦
12、区域）时的吸收/源出电流。SWGATEgs一旦基于成本因素将选择范围缩小到了特定的某一代MOSFET （不同代MOSFET的成本差别很大），我们就可以在这一代的器件中找到一个能够使 功率耗散最小的器件。这个器件应该具有均衡的阻性和开关损耗。使用更小（更快）的MOSFET所增加的阻性损耗将超过它在开关损耗方面的降低， 而更大（rDS（ON）更低）的器件所增加的开关损耗将超过它对于阻性损耗的降低。如果V是变化的，需要在V 和V 下分别计算开关MOSFET的功率耗散。MOSFET功率耗散的最坏情况可能会出现在最低或最高输入电压 下。该1耗散功率是两种因素之和：）在0（MIN）时达到最高的阻性耗散（占
13、空比较高），以及在V 时达到最高的开关损耗（由于V 2项的缘故）。一个好的 选择应该在v的两种极端情况下具有大致相同的耗散，并且在整个v范围内保持均衡的阻性和开关损耗。IN如果损耗在V|NM|N时明显高出，则阻性损耗起主导作用。这种情况下，可以考虑用一个更大一点的开关MOSFET （或将一个以上的多个管子相并联） 以降低R =但如果在V 时损耗显著高出，则应该考虑降低开关MOSFET的尺寸（如果是多管并联的话，或者去掉一个MOSFET），以便使其 开关速度更徵一点。IN（MAX）如果阻性和开关损耗已达平衡，但总功耗仍然过高，有多种办法可以解决：改变问题的定义。例如，重新定义输入电压范围。改变开
14、关频率以便降低开关损耗，有可能使用更大一点的、R更低的开关MOSFET。增加栅极驱动电流，有可能降低开关损耗。MOSFET自身的即部栅极电阻最终限制了栅极驱动电流，实际上限制了这种方法的有效性。采用一个改进技术的MOSFET，以便同时获得更快的开关速度、更低的Rds（on）和更低的栅极电阻。脱离某个给定的条件对MOSFET的尺寸作更精细的调整是不大可能的，因为器件的选择范围是有限的。选择的底线是MOSFET在最坏情况下的功 耗必须能够被耗散掉。热阻下一步是要计算每个MOSFET周围的环境温度，在这个温度下，MOSFET结温将达到我们的假定值（按照前面图1所示的迭代过程，确定合适的 MOSFET
15、来作为同步整流器和开关MOSFET）。为此，首先需要确定每个MOSFET结到环境的热阻（0J。热阻的估算可能会比较困难。单一器件在一个简单PCB上的0测算相对容易一些，而要在一个系统内去预测实际电源的热性能是很困难的，那里 有许多热源在争夺有限的散热通道。如果有多个MOSFET被并联使用，其整体热阻的计算方法，和计算两个以上并联电阻的等效电阻一样。我们可以从MOSFET的0规格开始。对于单 管芯、8引脚封装的MOSFET来讲，0通常接近于62C/W。其他类型的封装，有些带有散热片或裸露的导热片，其热阻史般会在40C/W至50C/W俵1）。JA表1. MOSFET封装的典型热阻Package0 ja (C/W)Minimum Footprint0 q (C/W)1iri2 of 2oz0 JA (C/W)CopperSOT-23 (thermally enhanced)27020075SOT-891607035SOT-231104515口MAX-8/Micro8（thermally enhanced）1607035TSSOP-820010045SO-8（
