大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計(jì)算

0??? 引言

??? 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。

1??? MOSFET功耗的計(jì)算

??? 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（P_L）主要包含阻性損耗（P_R）和開關(guān)損耗（P_S）兩部分，即

??? P_L=P_R＋P_S

??? MOSFET的功耗很大程度上依賴于它的導(dǎo)通電阻R_DS(on)，但是，MOSFET的R_DS(on)與它的結(jié)溫T_j有關(guān)。而T_j又依賴于MOSFET管的功耗以及MOSFET的熱阻θ_JA。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)T_j，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)椋葟囊粋€(gè)假定的T_j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)椋@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T_j(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R_DS(on)，不過最近有些產(chǎn)品也提供了＋125℃下的最大值。MOSFET的R_DS(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T_j(hot)下以最大R_DS(on)作近似估算，即

??? R_DS(on)hot=R_DS(on)SPEC{1＋0.005×〔T_j(hot)－T_SPEC〕}（1）

式中：R_DS(on)SPEC為計(jì)算所用的MOSFET導(dǎo)通電阻；

????? T_SPEC為規(guī)定R_DS(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R_DS(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。

1.1??? 同步整流的功耗

??? 除最輕負(fù)載外，同步整流MOSFET的漏、源電壓在開通和關(guān)閉過程中都會(huì)被續(xù)流二極管鉗位。因此，同步整流幾乎沒有開關(guān)損耗，它的功耗PL只須考慮阻性損耗即可。最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流工作在最大占空比時(shí)，也就是輸入電壓達(dá)到最低時(shí)。利用同步整流的R_DS(on)和工作占空比，通過歐姆定律可以近似計(jì)算出它的功耗，即

??? P_L=〔×R_DS(on)hot〕×（2）

1.2??? 開關(guān)MOSFET的功耗

??? 開關(guān)MOSFET的阻性損耗P_R計(jì)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R_DS(on)hot，即

??? P_R=〔×R_DS(on)hot〕×（3）

??? 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多難以量化并且沒有規(guī)范的因素，這些因素同時(shí)影響到開通和關(guān)斷過程。為此，可以首先用以下粗略的近似公式對(duì)某個(gè)MOSFET進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，即

??? P_S=（4）

式中：C_rss為MOSFET的反向傳輸電容(數(shù)據(jù)手冊(cè)中的一個(gè)參數(shù))；

????? f_s為開關(guān)頻率；

????? I_gatb為MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器在MOSFET處于臨界導(dǎo)通(V_gs位于柵極充電曲線的平坦區(qū)域)時(shí)的吸收／源出電流。

??? 若從成本因素考慮，將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差別很大)，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、更快的器件所增加的阻性損耗將超過它在開關(guān)損耗方面的降低，而使用更大〔而R_DS(on)更低〕的器件所增加的開關(guān)損耗將超過它對(duì)于阻性損耗的降低。

??? 如果V_in是變化的，需要在V_in(max)和V_in(min)下分別計(jì)算開關(guān)MOSFET的功耗。最壞情況可能會(huì)出現(xiàn)在最低或最高輸入電壓下。該功耗是兩種因素之和：在V_in(min)時(shí)達(dá)到最高的阻性耗散(占空比較高),以及在V_in(max)時(shí)達(dá)到最高的開關(guān)損耗。一個(gè)好的選擇應(yīng)該在V_in的兩種極端情況下具有大致相同的功耗，并且在整個(gè)V_in范圍內(nèi)保持均衡的阻性和開關(guān)損耗。

??? 如果損耗在V_in(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)電流更大一點(diǎn)的MOSFET(或?qū)⒁粋€(gè)以上的MOSFET相并聯(lián))以降低R_DS(on)。但如果在V_in(max)時(shí)損耗顯著高出，則應(yīng)該考慮用電流小一點(diǎn)的MOSFET(如果是多管并聯(lián)的話，或者去掉一個(gè)M0SFET)，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，也有多種辦法可以解決：

??? ——改變或重新定義輸入電壓范圍；

??? ——降低開關(guān)頻率以減小開關(guān)損耗，或選用R_DS(on)更低的MOSFET；

??? ——增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流，有可能降低開關(guān)損耗；

??? ——采用一個(gè)技術(shù)改進(jìn)的MOSFET，以便同時(shí)獲得更快的開關(guān)速度、更低的R_DS(on)和更低的柵極電阻。

??? 需要指正的是,脫離某個(gè)給定的條件對(duì)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。

2??? 關(guān)于熱阻

??? 按照?qǐng)D1所示，繼續(xù)進(jìn)行迭代過程的下一步，以便尋找合適的MOSFET來作為同步整流和開關(guān)MOSFET。這一步是要計(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。為此，首先需要確定每個(gè)MOSFET結(jié)到環(huán)境的熱阻θ_JA。

??? 熱阻的估算可能會(huì)比較困難。單一器件在一個(gè)簡單的印刷板上的θ_JA的測(cè)算相對(duì)容易一些，而要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)去預(yù)測(cè)實(shí)際電源的熱性能是很困難的，因?yàn)椋抢镉性S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θ_JA規(guī)格開始。對(duì)于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來講，θ_JA通常接近于62℃／W。其他類型的封裝，有些帶有散熱片或暴露的導(dǎo)熱片，其熱阻一般會(huì)在40℃／W至50℃／W(見表1所列)。可以用下面的公式計(jì)算MOSFET的管芯相對(duì)于環(huán)境的溫升T_j(rise)，即

??? T_j(rise)=P_L×θ_JA（5）

??? 接下來，計(jì)算導(dǎo)致管芯達(dá)到預(yù)定T_j(hot)時(shí)的環(huán)境溫度T_ambient， 即

表1??? MOSFET封裝的典型熱阻

??? T_ambient=T_j(hot)－T_j(rise)（6）

??? 如果計(jì)算出的θ_JA低于機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度，必須采用下列一條或多條措施：

??? ——升高預(yù)定的T_j(hot)，但不要超出數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的最大值；

??? ——選擇更合適的MOSFET以降低其功耗；

??? ——通過增加氣流或MOSFET周圍的銅膜降低θ_JA。

??? 再重算T_ambient(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))。而表1為MOSFET封裝的典型熱阻。

??? 如果計(jì)算出的T_ambient高出機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度很多，可以采取下列一條或全部措施：

??? ——降低預(yù)定的T_j(hot)；

??? ——減小專用于MOSFET散熱的銅膜面積；

??? ——采用更廉價(jià)的MOSFET。

??? 這些步驟是可選的，因?yàn)樵诖饲闆r下MOSFET不會(huì)因過熱而損壞。不過，通過這些步驟只要保證T_ambient高出機(jī)殼最高溫度一定裕量，便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θ _JA。應(yīng)該仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)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4.82g/cm²的銅膜上。銅膜耗散了大部分的功率，不同數(shù)量的銅膜θ _JA差別很大。例如，帶有4.82g/cm²銅膜的D－Pak封裝的θ _JA會(huì)達(dá)到50℃／W。但是如果只將銅膜鋪設(shè)在引腳的下面，θ_JA將高出兩倍(見表1)。如果將多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，θ _JA主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個(gè)器件的等效θ _JA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R_DS(on)減半但不會(huì)改變θ _JA很多。最后，θ _JA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。但在大電流情況下，功率通路上的每個(gè)元器件，甚至是印刷板線條都會(huì)產(chǎn)生熱量。為了避免MOSFET過熱，須仔細(xì)估算實(shí)際情況下的θ _JA，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。

3??? 結(jié)語

??? 熱管理是大電流便攜式DC/DC設(shè)計(jì)中難度較大的領(lǐng)域之一。這種難度迫使我們有必要采用上述迭代流程。盡管該過程能夠引領(lǐng)熱性能設(shè)計(jì)者靠近最佳設(shè)計(jì)，但是還必須通過實(shí)驗(yàn)來最終確定設(shè)計(jì)流程是否足夠精確。應(yīng)計(jì)算MOSFET的熱性能，為它們提供足夠的耗散途徑，然后在實(shí)驗(yàn)室中檢驗(yàn)這些計(jì)算，這樣有助于獲得一個(gè)耐用而安全的熱設(shè)計(jì)。