計算大功率電源中MOSFET的功率耗散

中心議題：

• 計算大功率電源中MOSFET的功率耗散

解決方案：

• 重新設(shè)定輸入電壓范圍
• 改變開關(guān)頻率

也許便攜式電源設(shè)計工程師所面臨的最大挑戰(zhàn)在于向現(xiàn)代高性能CPU供電。最近，CPU供電電流每兩年翻一倍。事實上，當(dāng)今的便攜式內(nèi)核電源要求電流達到 40A，電壓在0.9V至1.75V之間。但一方面電流要求持續(xù)增加，提供電源的可用空間卻沒有加大，這一實事將熱設(shè)計推到難以超越的極限。


如此高的電流電源通常會分為兩個或更多部分，每一部分提供15A至25A電流。這種方案消除了元件甄選的任務(wù)。例如，40A電源本質(zhì)上可以分成兩個20A電源。但由于該解決方案并不增加額外的板空間，它無法解決熱設(shè)計的挑戰(zhàn)。

用于高電流電源最難選擇的元件是MOSFET場效應(yīng)管，對于筆記本計算機尤為如此，在這種環(huán)境下，通常要為CPU自身保留散熱器、風(fēng)扇、散熱管和其他散熱器件。這樣，電源經(jīng)常需要與狹窄的空間、不流動的空氣和附近元件耗散的熱量對抗。還有，除了安裝在電源下面小小的PCB銅片，沒有什么可以幫助電源散熱。

MOSFET的甄選從選擇能夠應(yīng)付所要求的電流、提供足夠的散熱通道開始，在確定了要求的散熱量并確保了散熱途徑后結(jié)束。本文介紹了計算MOSFET功率耗散和確定其工作溫度的步驟說明。隨后，以通過多相位、同步矯正、降壓CPU內(nèi)核20A電源設(shè)計為例，對每個計算步驟進行了說明。

計算功率耗散

要確定一個MOSFET場效應(yīng)管是否適于某一特定應(yīng)用，需要對其功率耗散進行計算。耗散主要包括阻抗耗散和開關(guān)耗散：PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING

由于MOSFET的功率耗散很大程度上取決于其導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，計算RDS(ON)看似是一個很好的著手之處。但MOSFET的導(dǎo)通電阻取決于結(jié)溫TJ。返過來，TJ又取決于MOSFET中的功率放大器耗散和MOSFET的熱阻(ΘJA)。這樣，很難確定空間從何處著手。由于在功率耗散計算中的幾個條件相互依賴，確定其數(shù)值時需要迭代過程(圖1)。

這一過程從首先假設(shè)各MOSFET的結(jié)溫開始，同樣的過程對于每個MOSFET單獨進行。MOSFET的功率耗散和允許的環(huán)境溫度都要計算。

當(dāng)允許的周圍溫度達到或略高于電源封裝內(nèi)和其供電的電路所期望的最高溫度時結(jié)束。使計算的環(huán)境溫度盡可能高看似很誘人，但這通常不是一個好主意。這樣做將需要更昂貴的MOSFET、在MOSFET下面更多地使用銅片，或者通過更大或更快的風(fēng)扇使空氣流動。所有這些都沒有任何保證。

在某種意義上，這一方案蒙受了一些“回退”。畢竟，環(huán)境溫度決定MOSFET的結(jié)溫，而不是其他途徑。但從假設(shè)結(jié)溫開始所需要的計算，比從假設(shè)環(huán)境溫度開始更易于實現(xiàn)。

對于開關(guān)MOSFET和同步整流器兩者，都是選擇作為此迭代過程開始點的最大允許裸片結(jié)溫(TJ(HOT))。大多數(shù)MOSFET數(shù)據(jù)參數(shù)頁只給出25°C的最大RDS(ON)，，但近來有一些也提供了125°C的最大值。MOSFETRDS(ON)隨著溫度而提高，通常溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C的范圍內(nèi)(圖2)。如果對此有所懷疑，可以采用更悲觀的溫度系數(shù)和MOSFET在25°C規(guī)格參數(shù)(或125°C的規(guī)格參數(shù)，如果有提供的話)計算所選擇的TJ(HOT)處的最大RDS(ON)：RDS(ON) HOT =RDS(ON) SPEC ×[1+0.005×(TJ(HOT)?TSPEC)]

其中，RDS(ON)SPEC為用于計算的MOSFET導(dǎo)通電阻，而TSPEC為得到RDS(ON)SPEC的溫度。如下描述，用計算得到的RDS(ON) HOT確定MOSFET和同步整流器的功率耗散。討論計算各MOSFET在假定裸片溫度的功率耗散的段落之后，是對完成此迭代過程所需其他步驟的描述。

同步整流器的耗散

對于除最大負載外的所有負載，在開、關(guān)過程中，同步整流器的MOSFET的漏源電壓通過捕獲二極管箝制。因此，同步整流器沒有引致開關(guān)損耗，使其功率耗散易于計算。需要考慮只是電阻耗散。

最壞情況下?lián)p耗發(fā)生在同步整流器負載系數(shù)最大的情況下，即在輸入電壓為最大值時。通過使用同步整流器的RDS(ON) HOT和負載系數(shù)以及歐姆定律，就可以計算出功率耗散的近似值：PDSYNCHRONOUS RECTIFIER=[ILOAD2×RDS(ON) HOT ]×[1>-(VOUT/VIN(MAX))]

開關(guān)MOSFET的耗散

開關(guān)MOSFET電阻損耗的計算與同步整流器的計算相仿，采用其(不同的)負載系數(shù)和RDS(ON) HOT ：PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS(ON) HOT]×(VOUT/VIN)

由于它依賴于許多難以定量且通常不在規(guī)格參數(shù)范圍、對開關(guān)產(chǎn)生影響的因素，開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗計算較為困難。在下面的公式中采用粗略的近似值作為評估一個MOSFET的第一步，并在以后在實驗室內(nèi)對其性能進行驗證：PDSWITCHING=(CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE

其中CRSS為MOSFET的反向轉(zhuǎn)換電容(一個性能參數(shù))，fSW為開關(guān)頻率，而IGATE為MOSFET的啟動閾值處(柵極充電曲線平直部分的VGS)的MOSFET柵極驅(qū)動的吸收電流和的源極電流。

一旦根據(jù)成本(MOSFET的成本是它所屬于那一代產(chǎn)品的非常重要的功能)將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET，那一代產(chǎn)品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開關(guān)損耗的型號。若采用更小(更快)的器件，則電阻損耗的增加幅度大于開關(guān)損耗的減小幅度；而采用更大(RDS(ON)低)的器件中，則開關(guān)損耗的增加幅度大于電阻損耗的減小幅度。

如果VIN是變化的，必須同時計算在VIN(MAX)和VIN(MIN)處的開關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET最壞情況下功率耗散將出現(xiàn)在最小或最大輸入電壓處。耗散為兩個函數(shù)的和：在VIN(MIN) (較高的負載系數(shù))處達到最大的電阻耗散，和在VIN(MAX)(由于VIN2的影響)處達到最大的開關(guān)耗散。最理想的選擇略等于在VIN極值的耗散，它平衡了VIN范圍內(nèi)的電阻耗散和開關(guān)耗散。

如果在VIN(MIN)處的耗散明顯較高，電阻損耗為主。在這種情況下，可以考慮采用較大的開關(guān)MOSFET，或并聯(lián)多個以達到較低的RDS(ON)值。但如果在VIN(MAX)處的耗散明顯較高，則可以考慮減小開關(guān)MOSFET的尺寸(如果采用多個器件，或者可以去掉MOSFET)以使其可以更快地開關(guān)。

如果所述電阻和開關(guān)損耗平衡但還是太高，有幾個處理方式：

改變題目設(shè)定。例如，重新設(shè)定輸入電壓范圍；改變開關(guān)頻率，可以降低開關(guān)損耗，且可能使更大、更低的RDS(ON)值的開關(guān)MOSFET成為可能；增大柵極驅(qū)動電流，降低開關(guān)損耗。MOSFET自身最終限制了柵極驅(qū)動電流的內(nèi)部柵極電阻，實際上局限了這一方案；采用可以更快同時開關(guān)并具有更低RDS(ON)值和更低的柵極電阻的改進的MOSFET技術(shù)。

由于元器件選擇數(shù)量范圍所限，超出某一特定點對MOSFET尺寸進行精確調(diào)整也許不太可能，其底線在于MOSFET在最壞情況下的功率必須得以耗散。

熱阻

再參考圖1說明，確定是否正確選擇了用于同步整流器和開關(guān)MOSFET的MOSFET迭代過程的下一個步驟。這一步驟計算每個MOSFET的環(huán)境空氣溫度，它可能導(dǎo)致達到假設(shè)的MOSFET結(jié)溫。為此，首先要確定每個MOSFET的結(jié)與環(huán)境間的熱阻(ΘJA)。

如果多個MOSFET并聯(lián)使用，可以通過與計算兩個或更多關(guān)聯(lián)電阻的等效電阻相同的方法，計算其組合熱阻。熱阻也許難以估計，但測量在一簡單PC板上的單一器件的ΘJA就相當(dāng)容易，系統(tǒng)內(nèi)實際電源的熱性能難以預(yù)計，許多熱源在競爭有限的散熱通道。

讓我們從MOSFET的ΘJA開始。對于單芯片SO-8 MOSFET封裝，ΘJA通常在62°C/W附近。對于其他封裝，帶有散熱柵格或暴露的散熱條，ΘJA可能在40°C/W和50°C/W之間(參見表)。計算多高的環(huán)境溫度將引起裸片達到假設(shè)的TJ(HOT)：TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)

如果計算的TAMBIENT比封裝最大標(biāo)稱環(huán)境溫度低(意味著封裝的最大標(biāo)稱環(huán)境溫度將導(dǎo)致超過假設(shè)的MOSFETTJ(HOT))，就要采取以下一種或所有措施：

提高假設(shè)的TJ(HOT)(HOT，但不要超過數(shù)據(jù)參數(shù)頁給出的最大值；通過選擇更合適的MOSFET，降低MOSFET功率耗散；或者，通過加大空氣流動或MOSFET周圍的銅散熱片面積降低ΘJA。

然后重新計算。采用電子數(shù)據(jù)表以簡化確定可接受的設(shè)計所要求的典型的多重迭代。

另一方面，如果計算的比封裝最大標(biāo)稱環(huán)境溫度高得多，就要采取以下一種或所有措施：

降低假設(shè)的TJ(HOT)；減少用于MOSFET功率耗散的銅散熱片面積；或者，采用不那么昂貴的MOSFET。

這些步驟是可選的，因為本案例中MOSFET不會由于超過設(shè)定溫度而損壞。然而，在TAMBIENT比封裝的最大溫度高時，這些步驟可以減小板面積和成本。

該過程中最大的不準(zhǔn)確性來源于ΘJA。仔細研讀ΘJA規(guī)格參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)頁說明。典型的規(guī)格說明假設(shè)器件安裝于1平方英寸的2盎司銅片。銅片承擔(dān)了大部分的散熱，而銅片的大小對ΘJA有顯著影響。

例如，采用1平方英寸的銅片，D-Pak的ΘJAD-Pak可能是50°C/W。但如果銅片就設(shè)在封裝引腳下，ΘJA值將會加倍(參見表)。采用多個并聯(lián)MOSFET，ΘJA主要依賴于它所安裝的銅片面積。兩個元器件的等效ΘJA可能是只有一個元器件時的一半，除非銅片的面積加倍。就是說，增加并聯(lián)MOSFET而不同時增加銅片面積，將使RDS(ON)減半，但對ΘJA的改變小得多。

最后，ΘJA的規(guī)格參數(shù)假設(shè)銅片散熱面積不需考慮其他元器件的散熱。在高電流時，在功率路徑上的每個元件，甚至是PC板上的銅材料都會產(chǎn)生熱量。為避免對的MOSFET過度加熱，需要仔細計估算實際物理環(huán)境能達到的ΘJA值；研究所選擇的MOSFET提供的熱參數(shù)信息；檢查是否有空間用于增加額外的銅片、散熱器和其他器件；確定增加空氣流動是否可行；看看在假設(shè)的散熱通道有沒有其他明顯的熱源，并要估算一下附近元件和空間的加熱或冷卻作用。

設(shè)計實例

圖3所示CPU內(nèi)核電源在40A提供1.3V。兩個同樣的20A電源在300kHz運行，提供40A輸出電源。MAX1718主控制器驅(qū)動一個，而MAX1897從控制器驅(qū)動另一個。該電源輸入范圍在8～20V之間，指定封裝的最高工組作環(huán)境溫度60°C。

同步整流器包括兩個并聯(lián)的IRF7822MOSFET，在室溫條件下組合的最大RDS(ON)為3.25mΩ，而假設(shè)TJ(HOT)為115°C時約為4.7mΩ。最大負載系數(shù)94%，20A負載電流和4.7mΩ最大RDS(ON)，并聯(lián)MOSFET的耗散約為1.8W。提供2平方英寸的銅片以進行散熱，總ΘJA約為31°C/W。組合MOSFET的溫度上升約為55°C，所以此設(shè)計將在60°左右的環(huán)境溫度工作。

在室溫下組合的最大RDS(ON)為6mΩ，在115°C(假設(shè)的TJ(HOT))為8.7mΩ的兩個并聯(lián)IRF7811WMOSFET組成開關(guān)MOSFET。組合CRSS為240pF。MAX1718以及MAX1897的1Ω柵極驅(qū)動輸出約為2A.。當(dāng)VIN=8V時，電阻損耗為0.57W，而開關(guān)損耗約為0.05W。在20V時，電阻損耗為0.23W，而開關(guān)損耗約為0.29W。在每個操作點的總損耗大體平衡，而在最小VIN處的最壞情況下，等于0.61W。

由于功率耗散水平不高，我們可以在這對MOSFET下面提供了0.5平方英寸的銅片，達到約55°C/W的總ΘJA。這樣以35°C的升溫，可以支持達80°C的環(huán)境溫度。

本實例的銅散熱片僅要求對MOSFET提供。如果有其它器件散熱，也許要求銅散熱片面積更大。如果空間不允許增加額外的銅散熱片，可以減小總功率耗散，將熱量擴散到散熱量較低的地方，或采用其他方法散熱。

熱能管理是大功率便攜設(shè)計中最困難的方面之一，它使上述的迭代過程成為必需。雖然這一過程使板設(shè)計者已經(jīng)接近于最終設(shè)計，但還是必須通過實驗室工作最終確定設(shè)計過程是否準(zhǔn)確。在實驗室中計算MOSFET的熱能特性、確何其散熱通道并檢查計算結(jié)果，有助于確?？煽康臒嵩O(shè)計。