MOSFET功耗估计及散热.docVIP

DC/DC变换中MOSFET功耗计算 本文分析了一个多相、同步整流、降压型CPU电源中MOSFET功耗的计算方法。 1 MOSFET功耗的计算 为了确定一个MOSFET是否适合于特定的应用，必须计算其功耗，MOSFET功耗（PL）主要包含阻性损耗（PR）和开关损耗（PS）两部分，即PL=PR＋PSMOSFET的功耗很大程度上依赖于它的导通电阻RDS(on)，但是，MOSFET的RDS(on)与它的结温Tj有关。而Tj又依赖于MOSFET管的功耗以及MOSFET的热阻θJA。由于功耗的计算涉及到若干个相互依赖的因素，为此，可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果，如图1流程所示。 迭代过程起始于为每个MOSFET假定一个Tj，然后，计算每个MOSFET各自的功耗和允许的环境温度。当允许的环境温度达到或略高于机壳内最高温度设计值时，这个过程便结束了。这是一种逆向的设计方法，因为，先从一个假定的Tj开始计算，要比先从环境温度计算开始容易一些。 能否将这个计算所得的环境温度尽可能地提高呢？回答是不行的。因为，这势必要求采用更昂贵的MOSFET，并在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等，所有这些都是不切实际的。 对于开关和同步整流MOSFET，可以选择一个允许的最高管芯结温Tj(hot)作为迭代过程的出发点，多数MOSFET的数据手册只规定了＋25下的最大RDS(on)，不过最近有些产品也提供了＋125下的最大值。MOSFET的RDS(on)随着温度的增高而增加，典型温度系数在0.35％／～0.5％／之间，如图2所示。如果拿不准，可以用一个较为保守的温度系数和MOSFET的＋25规格(或＋125规格)，在选定的Tj(hot)下以最大RDS(on)作近似估算，即 式中：RDS(on)SPEC为计算所用的MOSFET导通电阻； TSPEC为规定RDS(on)SPEC时的温度。 利用计算出的RDS(on)hot可以确定同步整流和 开关MOSFET的功耗。为此，将进一步讨论如何计算各个MOSFET在给定的管芯温度下的功耗，以及完成迭代过程的后续步骤，其整个过程详述如图1所示。 1.1 同步整流的功耗 除最轻负载外，同步整流MOSFET的漏、源电压在开通和关闭过程中都会被续流二极管钳位。因此，同步整流几乎没有开关损耗，它的功耗PL只须考虑阻性损耗即可。最坏情况下的损耗发生在同步整流工作在最大占空比时，也就是输入电压达到最低时。利用同步整流的RDS(on)和工作占空比，通过欧姆定律可以近似计算出它的功耗。 1.2 开关MOSFET的功耗 开关MOSFET的阻性损耗PR计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RDS(on)hot。 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没有规范的因素，这些因素同时影响到开通和关断过程。为此，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，即式中：Crss为MOSFET的反向传输电容(数据手册中的一个参数)；fs为开关频率； Igatb为MOSFET的栅极驱动器在MOSFET处于临界导通(Vgs位于栅极充电曲线的平坦区域)时的吸收／源出电流。 若从成本因素考虑，将选择范围缩小到特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差别很大)，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、更快的器件所增加的阻性损耗将超过它在开关损耗方面的降低，而使用更大〔而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Vin是变化的，需要在Vin(max)和Vin(min)下分别计算开关MOSFET的功耗。最坏情况可能会出现在最低或最高输入电压下。该功耗是两种因素之和：在Vin(min)时达到最高的阻性耗散(占空比较高),以及在Vin(max)时达到最高的开关损耗。一个好的选择应该在Vin的两种极端情况下具有大致相同的功耗，并且在整个Vin范围内保持均衡的阻性和开关损耗。 如果损耗在Vin(min)时明显高出，则阻性损耗起主导作用。这种情况下，可以考虑用一个电流更大一点的MOSFET(或将一个以上的MOSFET相并联)以降低RDS(on)。但如果在Vin(max)时损耗显著高出，则应该考虑用电流小一点的MOSFET(如果是多管并联的话，或者去掉一个M0SFET)，以便使其开关速度更快一点。如果阻性和开关损耗已达平衡，但总功耗仍然过高，也有多种办法可以解决：改变或重新定义输入电压范围；降低开关频率以减小开关损耗，或选用RDS(on)更低的MOSFET；增加栅极驱动电流，有可能降低开关损耗；采用一个技术改进的MOSFET，以便同