詳解大功率電源中MOSFET功耗的計(jì)算

也許，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。CPU的電源電流最近每兩年就翻一番。事實(shí)上，今天的便攜式核電源電流需求會高達(dá)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(wěn)步增長，留給電源的空間卻并沒有增加—這個(gè)現(xiàn)實(shí)已達(dá)到了熱設(shè)計(jì)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，這種方法并沒有額外增加板上空間，對于熱設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)基本上沒有多大幫助。

在設(shè)計(jì)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，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(shè)計(jì)常常要面臨狹小的空間、靜止的氣流以及來自于附近其它元件的熱量等不利因素的挑戰(zhàn)。而且，除了電源下面少量的印制板銅膜外，沒有任何其它手段可以用來協(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明如何計(jì)算這些MOSFET的功率耗散，并確定它們的工作溫度。然后，通過分析一個(gè)多相、同步整流、降壓型CPU核電源中某一個(gè)30A單相的設(shè)計(jì)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(yīng)用，你必須計(jì)算一下其功率耗散，它主要包含阻性和開關(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于它的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，計(jì)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(jié)溫(TJ)有關(guān)。話說回來，TJ又依賴于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(ΘJA)。這樣，似乎很難找到一個(gè)著眼點(diǎn)。由于功率耗散的計(jì)算涉及到若干個(gè)相互依賴的因素，我們可以采用一種迭代過程獲得我們所需要的結(jié)果(圖1)。

圖1. 該流程圖展示了選擇各MOSFET (同步整流器和開關(guān)MOSFET)的迭代過程。在這個(gè)過程中，各MOSFET的結(jié)溫為假設(shè)值，兩個(gè)MOSFET的功率耗散和允許環(huán)境溫度通過計(jì)算得出。當(dāng)允許的環(huán)境溫度達(dá)到或略高于我們所期望的機(jī)箱內(nèi)最高溫度時(shí)(機(jī)箱內(nèi)安裝了電源及其所驅(qū)動(dòng)的電路)，這個(gè)過程就結(jié)束了。

迭代過程始于為每個(gè)MOSFET假定一個(gè)結(jié)溫，然后，計(jì)算每個(gè)MOSFET各自的功率耗散和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境氣溫達(dá)到或略高于電源及其所驅(qū)動(dòng)的電路所在的機(jī)殼的期望最高溫度時(shí)，這個(gè)過程便結(jié)束了。

有些人總試圖使這個(gè)計(jì)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(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—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(jié)溫，然后再計(jì)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(jié)溫—而不是相反。不過，從一個(gè)假定的結(jié)溫開始計(jì)算要比從環(huán)境溫度開始容易一些。

對于開關(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(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)資料只規(guī)定了+25°C下的最大RDS(ON)，不過最近有些MOSFET文檔也給出了+125°C下的最大值。MOSFET的RDS(ON)隨著溫度而增加，典型溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C之間(圖2)。

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

如果拿不準(zhǔn)，可以用一個(gè)較差的溫度系數(shù)和MOSFET的+25°C規(guī)格(或+125°C規(guī)格，如果有的話)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(jì)算所用的MOSFET導(dǎo)通電阻，TSPEC是規(guī)定RDS(ON)SPEC時(shí)的溫度。利用計(jì)算出的RDS(ON)HOT，可以確定同步整流器和開關(guān)MOSFET的功率消耗，具體做法如下所述。

在下面的章節(jié)中，我們將討論如何計(jì)算各個(gè)MOSFET在給定的管芯溫度下的功率消耗，以及完成迭代過程的后續(xù)步驟(整個(gè)過程詳述于圖1)。

除最輕負(fù)載以外，各種情況下同步整流器MOSFET的漏-源電壓在打開和關(guān)閉過程中都會被續(xù)流二極管鉗位。因此，同步整流器幾乎沒有開關(guān)損耗，它的功率消耗很容易計(jì)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(dāng)輸入電壓達(dá)到最大時(shí)。利用同步整流器的RDS(ON)HOT和工作占空比，通過歐姆定律，我們可以近似計(jì)算出它的功率消耗：

PDSYNCHRONOUS RECTIFIER = [ILOAD2 × RDS(ON)HOT] × [1 - (VOUT/VINMAX)]

開關(guān)MOSFET的阻性損耗計(jì)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)

開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗計(jì)算起來比較困難，因?yàn)樗蕾囉谠S多難以量化并且通常沒有規(guī)格的因素，這些因素同時(shí)影響到打開和關(guān)閉過程。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)，然后通過實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行驗(yàn)證：

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

其中CRSS是MOSFET的反向傳輸電容(數(shù)據(jù)資料中的一個(gè)參數(shù))，fSW為開關(guān)頻率，IGATE是MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器在MOSFET處于臨界導(dǎo)通(VGS位于柵極充電曲線的平坦區(qū)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(yīng)該具有均衡的阻性和開關(guān)損耗。使用更小(更快)的MOSFET所增加的阻性損耗將超過它在開關(guān)損耗方面的降低，而更大(RDS(ON)更低) 的器件所增加的開關(guān)損耗將超過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(jì)算開關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET功率耗散的最壞情況可能會出現(xiàn)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(dá)到最高的阻性耗散(占空比較高)，以及在VIN(MAX)時(shí)達(dá)到最高的開關(guān)損耗(由于VIN2項(xiàng)的緣故)。一個(gè)好的選擇應(yīng)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(nèi)保持均衡的阻性和開關(guān)損耗。

如果損耗在VIN(MIN)時(shí)明顯高出，則阻性損耗起主導(dǎo)作用。這種情況下，可以考慮用一個(gè)更大一點(diǎn)的開關(guān)MOSFET (或?qū)⒁粋€(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)損耗顯著高出，則應(yīng)該考慮降低開關(guān)MOSFET的尺寸(如果是多管并聯(lián)的話，或者去掉一個(gè)MOSFET)，以便使其開關(guān)速度更快一點(diǎn)。

如果阻性和開關(guān)損耗已達(dá)平衡，但總功耗仍然過高，有多種辦法可以解決：

• 改變問題的定義。例如，重新定義輸入電壓范圍。

• 改變開關(guān)頻率以便降低開關(guān)損耗，有可能使用更大一點(diǎn)的、RDS(ON)更低的開關(guān)MOSFET。

• 增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流，有可能降低開關(guān)損耗。MOSFET自身的內(nèi)部柵極電阻最終限制了柵極驅(qū)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(xì)的調(diào)整是不大可能的，因?yàn)槠骷倪x擇范圍是有限的。選擇的底線是MOSFET在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。

下一步是要計(jì)算每個(gè)MOSFET周圍的環(huán)境溫度，在這個(gè)溫度下，MOSFET結(jié)溫將達(dá)到我們的假定值(按照前面圖1所示的迭代過程，確定合適的MOSFET來作為同步整流器和開關(guān)MOSFET)。為此，首先需要確定每個(gè)MOSFET結(jié)到環(huán)境的熱阻(ΘJA)。

熱阻的估算可能會比較困難。單一器件在一個(gè)簡單PCB上的ΘJA測算相對容易一些，而要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)去預(yù)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(jì)算方法，和計(jì)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(guī)格開始。對于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來講，ΘJA通常接近于62°C/W。其他類型的封裝，有些帶有散熱片或裸露的導(dǎo)熱片，其熱阻一般會在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(jì)算MOSFET的管芯相對于環(huán)境的溫升：

TJ(RISE) = PDDEVICE TOTAL × ΘJA

接下來，計(jì)算導(dǎo)致管芯達(dá)到預(yù)定TJ(HOT)時(shí)的環(huán)境溫度：

TAMBIENT = TJ(HOT) - TJ(RISE)

如果計(jì)算出的TAMBIENT低于機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度(意味著機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度將導(dǎo)致MOSFET的預(yù)定TJ(HOT)被突破)，必須采用下列一條或更多措施：

• 升高預(yù)定的TJ(HOT)，但不要超出數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最大值。

• 選擇更合適的MOSFET以降低MOSFET的功耗。

• 通過增加氣流或MOSFET周圍的銅膜降低ΘJA。

重算TAMBIENT (采用速算表可以簡化計(jì)算過程，經(jīng)過多次反復(fù)方可選出一個(gè)可接受的設(shè)計(jì))。另一方面，如果計(jì)算出的TAMBIENT高出機(jī)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(yù)定的TJ(HOT)。

• 減小專用于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?yàn)樵诖饲闆r下MOSFET不會因過熱而損壞。不過，通過這些步驟，只要保證TAMBIENT高出機(jī)殼最高溫度一定裕量，我們可以降低線路板面積和成本。

上述計(jì)算過程中最大的誤差源來自于ΘJA。你應(yīng)該仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)資料中有關(guān)ΘJA規(guī)格的所有注釋。一般規(guī)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(shù)量的銅膜ΘJA差別很大。例如，帶有1in2銅膜的D-Pak封裝ΘJA會達(dá)到50°C/W。但是如果只將銅膜鋪設(shè)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，增加一個(gè)并聯(lián)的MOSFET而不增加銅膜的話，可以使RDS(ON)減半但不會改變ΘJA很多。

最后，ΘJA規(guī)范通常都假定沒有任何其它器件向銅膜的散熱區(qū)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引線都會產(chǎn)生熱量。為了避免MOSFET過熱，需仔細(xì)估算實(shí)際情況下的ΘJA，并采取下列措施：

• 仔細(xì)研究選定MOSFET現(xiàn)有的熱性能方面的信息。

• 考察是否有足夠的空間，以便設(shè)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。

• 觀察一下在假定的散熱路徑上，是否有其它顯著散熱的器件。

• 估計(jì)一下來自周圍元件或空間的過剩熱量或冷量。

圖3. 該降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器中的MOSFET經(jīng)由本文所述的迭代過程選出。板級設(shè)計(jì)者通常采用該類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器驅(qū)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(yù)定的TJ(HOT))下近似為4.13mΩ。在最大占空比94%，30A負(fù)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銅膜來耗散這些功率，總體ΘJA大約為18°C/W，該熱阻值取自MOSFET的數(shù)據(jù)資料。組合MOSFET的溫升將接近于+63°C，因此該設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠工作在最高+60°C的環(huán)境溫度下。

開關(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(yù)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(qū)動(dòng)器可提供將近1.6A的驅(qū)動(dòng)。VIN = 7V時(shí)，阻性損耗為1.63W，而開關(guān)損耗近似為0.105W。輸入為VIN = 24V時(shí)，阻性損耗為0.475W 而開關(guān)損耗近似為1.23W。總損耗在各輸入工作點(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(guī)定溫度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(dú)考慮了MOSFET的需求。如果還有其它器件向這個(gè)區(qū)域散熱的話，可能還需要更多的覆銅面積。如果沒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(qū)，或者采用主動(dòng)的辦法將熱量移走。