大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計(jì)算
0 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/179365.htm眾所周知,今天的便攜式電源設(shè)計(jì)者所面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)就是為當(dāng)今的高性能CPU提供電源。近年來,內(nèi)核CPU所需的電源電流每兩年就翻一番,即便攜式內(nèi)核CPU電源電流需求會(huì)高達(dá)40A之大,而電壓在0.9V和1.75V之間。事實(shí)上,盡管電流需求在穩(wěn)步增長,而留給電源的空間卻并沒有增加,這個(gè)現(xiàn)實(shí)已達(dá)到甚至超出了在熱設(shè)計(jì)方面的極限。
對(duì)于如此大電流的電源,通常將其分割為兩個(gè)或多相,即每一相提供15A到25A,例如,將一個(gè)40A電源變成了兩個(gè)20A電源。雖然可以使元器件的選擇更容易,但是并沒有額外增加板上或環(huán)境空間,對(duì)于減輕熱設(shè)計(jì)的工作基本上沒有多大幫助。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)大電流電源時(shí),MOSFET是最難確定的器件。這一點(diǎn)在筆記本電腦中尤其顯著,在這種環(huán)境中,散熱器、風(fēng)扇、熱管和其它散熱方式通常都留給了CPU。而電源設(shè)計(jì)常常要面臨諸多不利因素,諸如狹小的空間和靜止的氣流以及其元器件散發(fā)的熱量等惡劣環(huán)境,而且,沒有任何其它方式可以用來協(xié)助散熱。
那么如何挑選MOSFET呢?回答是,在挑選MOSFET時(shí),首先要選擇有足夠的電流處理能力的,并具有足夠的散熱通道的,最后還要從量化上考慮必要的熱耗和保證足夠的散熱路徑,據(jù)此,計(jì)算出MOSFET的功耗,并確定它們的工作溫度。本文分析了一個(gè)多相、同步整流、降壓型CPU電源中MOSFET功耗的計(jì)算方法。
為了確定一個(gè)MOSFET是否適合于特定的應(yīng)用,必須計(jì)算其功耗,MOSFET功耗(PL)主要包含阻性損耗(PR)和開關(guān)損耗(PS)兩部分,即
PL=PR+PS
MOSFET的功耗很大程度上依賴于它的導(dǎo)通電阻RDS(on),但是,MOSFET的RDS(on)與它的結(jié)溫Tj有關(guān)。而Tj又依賴于MOSFET管的功耗以及MOSFET的熱阻θJA。由于功耗的計(jì)算涉及到若干個(gè)相互依賴的因素,為此,可以采用一種迭代過程獲得我們所需要的結(jié)果,如圖1流程所示。
圖1 選擇同步整流和開關(guān)MOSFET的迭代過程流程
迭代過程起始于為每個(gè)MOSFET假定一個(gè)Tj,然后,計(jì)算每個(gè)MOSFET各自的功耗和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境溫度達(dá)到或略高于機(jī)殼內(nèi)最高溫度設(shè)計(jì)值時(shí),這個(gè)過程便結(jié)束了。這是一種逆向的設(shè)計(jì)方法,因?yàn)?,先從一個(gè)假定的Tj開始計(jì)算,要比先從環(huán)境溫度計(jì)算開始容易一些。
能否將這個(gè)計(jì)算所得的環(huán)境溫度盡可能地提高呢?回答是不行的。因?yàn)?,這勢(shì)必要求采用更昂貴的MOSFET,并在MOSFET下鋪設(shè)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)生氣流等,所有這些都是不切實(shí)際的。
對(duì)于開關(guān)和同步整流MOSFET,可以選擇一個(gè)允許的最高管芯結(jié)溫Tj(hot)作為迭代過程的出發(fā)點(diǎn),多數(shù)MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)只規(guī)定了+25℃下的最大RDS(on),不過最近有些產(chǎn)品也提供了+125℃下的最大值。MOSFET的RDS(on)隨著溫度的增高而增加,典型溫度系數(shù)在0.35%/℃~0.5%/℃之間,如圖2所示。如果拿不準(zhǔn),可以用一個(gè)較為保守的溫度系數(shù)和MOSFET的+25℃規(guī)格(或+125℃規(guī)格),在選定的Tj(hot)下以最大RDS(on)作近似估算,即
RDS(on)hot=RDS(on)SPEC{1+0.005×〔Tj(hot)-TSPEC〕}(1)
式中:RDS(on)SPEC為計(jì)算所用的MOSFET導(dǎo)通電阻;
TSPEC為規(guī)定RDS(on)SPEC時(shí)的溫度。
圖2 典型功率MOSFET導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)
〔在0.35%/℃(實(shí)線)至0.5%/℃虛線之間〕
利用計(jì)算出的RDS(on)hot可以確定同步整流和開關(guān)MOSFET的功耗。為此,將進(jìn)一步討論如何計(jì)算各個(gè)MOSFET在給定的管芯溫度下的功耗,以及完成迭代過程的后續(xù)步驟,其整個(gè)過程詳述如圖1所示。
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