计算大功率电源中MOSFET的功率耗散
来源： 作者： 发布时间：2015-04-03 09:21:42 浏览量：中心议题：
- 计算大功率电源中MOSFET的功率耗散
解决方案：
- 重新设定输入电压范围
- 改变开关一体成型电感器频率
也许便携式电源设计工程师所面临的最大挑战在于向现代高性能CPU供电。最近，CPU供电电流每两年翻一倍。事实上，当今的便携式内核电源要求电流达到 40A一体成型电感，电压在0.9V至1.75V之间。但一方面电流要求持续增加，提供电源的可用空间却没有加大，这一实事将热设计推到难以超越的极限。
如此高的电流电源通常会分为两个或更多部分，每一部分提供15A至25A电流。这种方案消除了元件甄选的任务。例如，40A电源本质上可以分成两个20A电源。但由于该解决方案并不增加额外的板空间，它无法解决热设计的挑战。
用于高电流电源最难选择的元件是MOSFET场效应管，对于笔记本计算机尤为如此，在这种环境下，通常要为CPU自身保留散热器、风扇、散热管和其他散热器件。这样，电源经常需要与狭窄的空间、不流动的空气和附近元件耗散的热量对抗。还有，除了安装在电源下面小小的PCB铜片，没有什么可以帮助电源散热。
MOSFET的甄选从选择能够应付所要求的电流、提供足够的散热通道开始，在确风华电感器定了要求的散热量并确保了散热途径后结束。本文介绍了计算MOSFET功率耗散和确定其工作温度的步骤说明。随后，以通过多相位、同步矫正、降压CPU内核20A电源设计为例，对每个计算步骤进行了说明。
计算功率耗散
要确定一个MOSFET场效应管是否适于某一特定应用，需要对其功率耗散进行计算。耗散主要包括阻抗耗散和开关耗散：PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING
由于MOSFET的功率耗散很大程度上取决于其导通电阻(RDS(ON))，计算RDS(ON)看似是一个很好的着手之处。但MOSFET的导通电阻取决于结温TJ。返过来，TJ又取决于MOSFET中的功率放大器耗散和MOSFET的热阻(ΘJA)。这样，很难确定空间从何处着手。由于在功率耗散计算中的几个条件相互依赖，确定其数值时需要迭代过程(图1)。
这一过程从首先假设各MOSFET的结温开始，同样的过程对于每个MOSFET单独进行。MOSFET的功率耗散和允许的环境温度都要计算。
当允许的周围温度达到或略高于电源封装内和其供电的电路所期望的最高温度时结束。使计算的环境温度尽可能高看似很诱人，但这通常不是一个好主意。这样做将需要更昂贵的MOSFET、在MOSFET下面更多地使用铜片，或者通过更大或更快的共模电感风扇使空气流动。所有这些都没有任何保证。
在某种意义上，这一方案蒙受了一些“回退”。毕竟，环境温度决定MOSFET的结温，而不是其他途径。但从假设结温开始所需要的计算，比从假设环境温度开始更易于实现。
对于开关MOSFET和同步整流器两者，都是选择作为此迭代过程开始点的最大允许裸片结温(TJ(HOT))。大多数MOSFET数据参数页只给出25°C的最大RDS(ON)，，但近来有一些也提供了125°C的最大值。MOSFETRDS(ON)随着温度而提高，通常温度系数在0.35%/°C至0.5%/°C的范围内(图2)。如果对此有所怀疑，可以采用更悲观的温度系数和MOSFET在25°C规格参数(或125°C的规格参数，如果有提供的话)计算所选择的TJ(HOT)处的最大RDS(ON)：RDS(ON) HOT =RDS(ON) SPEC ×[1+0.005×(TJ(HOT)?TSPEC)]
其中，RDS(ON)SPEC为用于计算的MOSFET导通电阻，而TSPEC为得到RDS(ON)SPEC的温度。如下描述，用计算得到的RDS(ON) HOT确定MOSFET和同步整流器的功率耗散。讨论计算各MOSFET在假定裸片温度的功率耗散的段落之后，是对完成此迭代过程所需其他步骤的描述。
同步整流器的耗散
对于除最大负载外的所有负载，在开、关过程中，同步整流器的MOSFET的漏源电压通过捕获二极管箝制。因此，同步整流器没有引致开关损耗，使其功率耗散易于计算。需要考虑只是电阻耗散。
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