大功率电源中MOSFET热设计

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1、电源工程师指南：大功率电源中MOSFET功耗的计算摘要：功率MOSFET是便携式设备中大功率开关电源的主要组成部分。此外，对于散热量极低的笔记本电脑来说，这些MOSFET是最难确定的元件。本文给出了计算MOSFET功耗以及确定其工作温度的步骤，并通过多相、同步整流、降压型CPU核电源中一个30A单相的分布计算示例，详细说明了上述概念。 也许，今天的便携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。CPU的电源电流最近每两年就翻一番。事实上，今天的便携式核电源电流需求会高达60A或更多，电压介于0.9V和1.75V之间。但是，尽管电流需求在稳步增长，留给电源的

2、空间却并没有增加—这个现实已达到了热设计的极限甚至超出。如此高电流的电源通常被分割为两个或更多相，每一相提供15A到30A。这种方式使元件的选择更容易。例如，一个60A电源变成了两个30A电源。但是，这种方法并没有额外增加板上空间，对于热设计方面的挑战基本上没有多大帮助。在设计大电流电源时，MOSFET是最难确定的元件。这一点在笔记本电脑中尤其显著，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。这样，电源设计常常要面临狭小的空间、静止的气流以及来自于附近其它元件的热量等不利因素的挑战。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

3、率。在挑选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。最后还要量化地考虑必要的热耗和保证足够的散热路径。本文将一步一步地说明如何计算这些MOSFET的功率耗散，并确定它们的工作温度。然后，通过分析一个多相、同步整流、降压型CPU核电源中某一个30A单相的设计实例，进一步阐明这些概念。计算MOSFET的耗散功率为了确定一个MOSFET是否适合于某特定应用，你必须计算一下其功率耗散，它主要包含阻性和开关损耗两部分：PDDEVICETOTAL =PDRESISTIVE +PDSWITCHING由于MOSFET的功率耗散很大程度上依赖于它的导通电阻(

4、RDS(ON))，计算RDS(ON)看上去是一个很好的出发点。但是MOSFET的RDS(ON)与它的结温(TJ)有关。话说回来，TJ又依赖于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的热阻(ΘJA)。这样，似乎很难找到一个着眼点。由于功率耗散的计算涉及到若干个相互依赖的因素，我们可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果(图1)。图1.该流程图展示了选择各MOSFET(同步整流器和开关MOSFET)的迭代过程。在这个过程中，各MOSFET的结温为假设值，两个MOSFET的功率耗散和允许环境温度通过计算得出。当允许的环境温度达到或略高于我们所期望的机箱内最高温度时(机箱内安装了电源及

5、其所驱动的电路)，这个过程就结束了。迭代过程始于为每个MOSFET假定一个结温，然后，计算每个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电源及其所驱动的电路所在的机壳的期望最高温度时，这个过程便结束了。有些人总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主意。这样作就要求采用更昂贵的MOSFET，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—所有这些都不是我们所期望的。从某种意义上讲，先假定一个MOSFET结温，然后再计算环境温度，这是一种逆向的考虑方法。毕竟环境温度决定了MOSFET的结温—而不是相反

6、。不过，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的数据资料只规定了+25°C下的最大RDS(ON)，不过最近有些MOSFET文档也给出了+125°C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%/°C至0.5%/°C之间(图2)。图2.典型功率MOSFET的导通电阻的温度系数在0.35%每度(绿线)至0.5%每度(红线)之间如果拿不准，可以用一个较差的温度系数和MOSFET的+25°C规格(或+125°C规格

7、，如果有的话)近似估算在选定的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。在下面的章节中，我们将讨论如何计算各个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(整个过程详述于图1)