
MOSFET功耗估计及散热.doc
4页DC/DC 变换中变换中 MOSFET 功耗计算功耗计算 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,以便同时获得更快的开关速度、更低的 RDS(on)和更低的栅 极电阻。
需要指正的是,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 2 关于热阻 按照图 1 所示,继续进行迭代过程的下一步,以便寻找合适的 MOSFET 来作为同步整 流和开关 MOSFET这一步是要计算每个 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为此,首先需要确定每个 MOSFET 结到环境的热阻 θJA 热阻的估算可能会比较困难单一器件在一个简单的印刷板上的 θJA 的测算相对容易一些, 而要在一个系统内去预测实际电源的热性能是很困难的,因为,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 θJA 规格开始对于单一管芯、8 引脚封装的 MOSFET 来讲, θJA 通常接近于 62℃/W其他类型的封装,有些带有散热片或暴露的导热片,其热阻一 般会在 40℃/W 至 50℃/W(见表 1 所列)可以用下面的公式计算 MOSFET 的管芯相对于 环境的温升 Tj(rise),即 Tj(rise)=PL×θJA(5) 接下来,计算导致管芯达到预定 Tj(hot)时的环境温度 Tambient,即 Tambient=Tj(hot)-Tj(rise)(6) 如果计算出的 θJA 低于机壳的最大额定环境温度,必须采用下列一条或多条措施: 升高预定的 Tj(hot),但不要超出数据手册规定的最大值;选择更合适的 MOSFET 以降低其 功耗;通过增加气流或 MOSFET 周围的铜膜降低 θJA。
再重算 Tambient(采用速算表可以简化计算过程,经过多次反复方可选出一个可接受的 设计)而表 1 为 MOSFET 封装的典型热阻 表 1 MOSFET 封装的典型热阻说明:由于封装的机械特性、管芯尺寸和安装及绑定方法等原因,所以同样封装类型 的不用器件,以及不同制造商出品的相似封装的热阻也各不相同,为此,应仔细考虑 MOSFET 数据手册中的热信息 如果计算出的 Tambient 高出机壳的最大额定环境温度很多,可以采取下列一条或全部 措施:降低预定的 Tj(hot);减小专用于 MOSFET 散热的铜膜面积;采用更廉价的 MOSFET 这些步骤是可选的,因为在此情况下 MOSFET 不会因过热而损坏不过,通过这些步骤只 要保证 Tambient 高出机壳最高温度一定裕量,便可以降低线路板面积和成本上述计算过程中最大的误差源来自于 θJA应该仔细阅读数据手册中有关 θJA 规格的 所有注释一般规范都假定器件安装在 4.82g/cm2 的铜膜上铜膜耗散了大部分的功率, 不同数量的铜膜 θJA 差别很大例如,带有 4.82g/cm2 铜膜的 D-Pak 封装的 θJA 会达到50℃/W。
但是如果只将铜膜铺设在引脚的下面,θJA 将高出两倍(见表 1)如果将多个 MOSFET 并联使用,θJA 主要取决于它们所安装的铜膜面积两个器件的等效 θJA 可以是单 个器件的一半,但必须同时加倍铜膜面积也就是说,增加一个并联的 MOSFET 而不增加 铜膜的话,可以使 RDS(on)减半但不会改变 θJA 很多最后,θJA 规范通常都假定没有任何 其它器件向铜膜的散热区传递热量但在大电流情况下,功率通路上的每个元器件,甚至 是印刷板线条都会产生热量为了避免 MOSFET 过热,须仔细估算实际情况下的 θJA,并 采取下列措施:仔细研究选定 MOSFET 现有的热性能方面的信息;考察是否有足够的空间, 以便设置更多的铜膜、散热器和其它器件;确定是否有可能增加气流;观察一下在假定的 散热路径上,是否有其它显著散热的器件;估计一下来自周围元件或空间的过剩热量或冷 量 3 结语 热管理是大电流便携式 DC/DC 设计中难度较大的领域之一这种难度迫使我们有必要 采用上述迭代流程尽管该过程能够引领热性能设计者靠近最佳设计,但是还必须通过实 验来最终确定设计流程是否足够精确应计算 MOSFET 的热性能,为它们提供足够的耗散 途径,然后在实验室中检验这些计算,这样有助于获得一个耐用而安全的热设计。












