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1、大电流便携式DC-DC中MOSFET功耗的计算鲁思慧 众所周知,今天的携便式电源设计者所面临的最严峻挑战就是为当今的高性能CPU提供电源。因近年来,内核CPU所需的电源电流每两年就翻一倍,即便携式内核CPU电源电流需求会高达40A之多，而电压在0.9v和1.75V之间。事实上,尽管电流需求在稳步增长，而留给电源的空间却并没有增加,这个现实已达到甚至超出了在热设计方面的极限。 对于如此高电流的电源,通常将以分割为两个或多相，即使每一相提供15A到25A.例如，一个40A电源变成了两个20A电源。虽
2、然这种方式可使元件的选择更容易。但是，这种方法并没有额外增加板上或环境空间，这对于热设计方面的挑战基本上没有多大帮助。为什么这么说呢?这是因为在设计高电流电源时，MOSFET是最难确定的元件。这一点在笔记本电脑中尤其显著，在这样的环境中，散热器、风扇、热管和其它散热手段通常都留给了CPU。而电源设计常常却要面临诸多不利因素的挑战,那就是只是狭小的空间和静止的气流以及附近其它元件散发的热量等恶劣环境.而且，除了电源下面少量的印制板铜膜外，没有任何其它手段可以用来协助耗散功率。 那末如何挑选MOSF
3、ET呢?回答是,在桃选MOSFET时,首先是要选择有足够的电流处理能力，并具有足够的散热通道的器件,最后还要从量化上考虑必要的热耗和保证足够的散热路径。据此,如何计算这些MOSFET的功率耗散，并确定它们的工作温度,然后进一步阐明这些概念,从而分析出一个多相、同步整流、降压型CPU核电源MOSFET功耗计算方法就成了本文叙述的重点. 计算MOSFET的耗散功率 为了确定一个MOSFET是否适合于特定应用,必须计算一下其功率耗散,MOSFET功率耗散(PD总)主要包含阻性损耗(PD阻性)和开关损耗
4、(PD开关)两部分:即 PD总=PD阻性+PD开关 由于MOSFET的功率耗散很大程度上依赖于它的导通电阻(RDS(on))，计算RDS(on)似乎是一个很好的出发点。但是MOSFET的RDS(on)与它的结温(Tj)有关。而Tj又依赖于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的热阻()。这样，又似乎很难找到一个着眼点。但由于功率耗散的计算涉及到若干个相互依赖的因素，为此,我们可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果(见图1流程所示)。 迭代过程始于为每个MOSFET假定一个结温(Tj)，然后，计
5、算每个MOSFET各自的功率耗散和允许的环境温度。当允许的环境气温达到或略高于期望的机壳内最高温度时，这个过程便结束了。如果试图使这个计算所得的环境温度尽可能高，但通常这并不是一个好的设想,这是为什么呢?因为这样,就要求采用更昂贵的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,所有这些都不是我们所期望的。为此,从某种意义上讲，可先假定一个MOSFET结温(Tj)，然后再计算环境温度，这是一种逆向的设计方法,因为毕竟是先有环境温度决定MOSFET的结
6、温(Tj),而不是相反。然而，从一个假定的结温开始计算要比从环境温度开始容易一些。对于开关MOSFET和同步整流器，我们可以选择一个最大允许的管芯结温(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)随着温度而增加，典型温度系数在0.35％／℃至0.5％／℃之间(见图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
7、选定的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)) 其中，RDS(on)SPEC是计算所用的MOSFET导通电阻，TSPEC是规定RDS(on)SPEC时的温度.利用计算出的RDS(on)hot，可以确定同步整流器和开关MOSFET的功率消耗，具体做法如下所述。即,将进一步讨论如何计算各个MOSFET在给定的管芯温度下的功率消耗，以及完成迭代过程的后续步骤(整个过程详述见图1所示)。同步整流器的
8、功率消耗 除最轻负载以外，各种情况下同步整流器MOSFET的漏、源电压在打开和关闭过程中都会被续流二极管钳位。因此，同步整流器几乎没有开关损耗，它的功率消耗(PD同步整流)很容易计算。只需要考虑阻性损耗即可。最坏情况下的损耗发生在同步整流器工作在最大占空比时，也就是当输入电压达到最大时。利用同步整流器的RDS(on)hot和工作占空比，通过欧姆定律我们可以近似计算出它的功率消耗： 开关MOSFET的功率耗散 开关MOSFET的阻性损耗(PD阻性)计算和同步整流器非常相似，也要利用它的占空比(但
