大电流便携式DC/DC变换中MOSFET功耗的计算
来源： 作者： 发布时间：2015-02-27 06:30:44 浏览量：0 引言
众所周知，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。近年来，内核CPU所需的电源电流每两年就翻一番，即便携式内核CPU电源电流需求会高达40A之大，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。
对于如此大电流的电源，通常将其分割为两个或多相，即每一相提供15A到25A，例如，将一个40A电源变成了两个20A电源。虽然可以使元器件的选择更容易，但是并没有额外增加板上或环境空间，对于减轻热设计的插件电感器工作基本上没有多大帮助。这是因为在设计大电流电源时，MOSFET是最难确定的器件。这一点在笔记本电脑中尤其显著，在这种环境中，散热器、风扇、热管和其它散热方式通常都留给了CPU。而电源设计常常要面临诸多不利因素,诸如狭小的空间和静止的气流以及其元器件散发的热量等恶劣环境，而且，没有任何其它方式可以用来协助散热。
那么如何挑选M太诱电感OSFET呢？回答是，在挑选MOSFET时，首先要选择有足够的电流处理能力的，并具有足够的散热通道的，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，计算出MOSFET的功耗，并确定它们的工作温度。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，MO一体电感器SFET功耗（PL）主要包含阻性损耗（PR）和开关损耗（PS）两部分，即
PL=PR＋PS
MOSFET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。
图1 选择同步整流和开关MOSFET的迭代过程流程
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
RDS(on)hot=RDS(绕行电感on)SPEC{1＋0.005×〔Tj(hot)－TSPEC〕}（1）
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。
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