功率MOSFET是便攜式設(shè)備中使用的任何大功率開關(guān)電源的組成部分。此外，這些MOSFET是難以為散熱能力最小的筆記本電腦產(chǎn)品指定的組件。本文提供了計(jì)算這些MOSFET的功耗和確定其工作溫度的分步說明。然后，通過逐步完成多相、同步整流、降壓型CPU內(nèi)核電源的一個(gè)30A相位的設(shè)計(jì)來說明這些概念。

也許便攜式電源設(shè)計(jì)人員面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是為現(xiàn)代高性能CPU供電。最近，CPU 電源電流每?jī)赡攴环Ｊ聦?shí)上，當(dāng)今的便攜式內(nèi)核電源可能需要高達(dá)60A或更高的電流，電壓在0.9V至1.75V之間。但是，盡管當(dāng)前要求穩(wěn)步增加，但可用于電源的空間卻沒有增加 - 這一事實(shí)已將熱設(shè)計(jì)擴(kuò)展到極限，甚至超越。

具有如此高電流的電源通常分為兩相或多相，每相處理電流在15A至30A之間。這種方法簡(jiǎn)化了組件選擇。例如，一個(gè)60A電源基本上變成了兩個(gè)30A電源。但由于這種方法不會(huì)產(chǎn)生額外的電路板空間，因此很難緩解散熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

MOSFET 是大電流電源最難指定的組件。對(duì)于筆記本電腦尤其如此，在這種環(huán)境中，散熱器、風(fēng)扇、熱管和其他散熱方式通常保留給 CPU 本身。因此，電源經(jīng)常與狹窄的空間、靜止的空氣和來自附近組件的熱量作斗爭(zhēng)。此外，除了電源下方的少量 PC 板銅外，沒有任何東西可以幫助功耗。

MOSFET 的選擇首先要選擇能夠在給定足夠散熱路徑的情況下處理所需電流的器件。選擇結(jié)束時(shí)量化所需的散熱并確保耗散路徑。本文提供了計(jì)算這些MOSFET的功耗和確定其工作溫度的分步說明。然后，通過逐步完成多相、同步整流、降壓型CPU內(nèi)核電源的一個(gè)30A相位的設(shè)計(jì)來說明這些概念。

計(jì)算 MOSFET 功耗

要確定MOSFET是否適合特定應(yīng)用，必須計(jì)算其功耗，主要包括電阻和開關(guān)損耗：

PDDEVICE TOTAL = PDRESISTIVE + PDSWITCHING

由于MOSFET的功耗在很大程度上取決于其導(dǎo)通電阻，因此RDS（ON），計(jì)算 RDS（ON）似乎是一個(gè)很好的起點(diǎn)。但是MOSFET的RDS（ON）取決于其結(jié)溫，TJ.反過來，TJ取決于 MOSFET 中的功耗和熱阻 Θ賈，的場(chǎng)效應(yīng)管。因此，很難知道從哪里開始。由于功耗計(jì)算中的幾個(gè)項(xiàng)是相互依賴的，因此迭代過程對(duì)于確定該數(shù)字非常有用（圖 1）。

圖1.該流程圖表示選擇每個(gè)MOSFET（同步整流器和開關(guān)MOSFET）的迭代過程。在此過程中，假設(shè)每個(gè)MOSFET的結(jié)溫，并計(jì)算MOSFET的功耗和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境溫度達(dá)到或略高于容納電源及其供電的電路的外殼內(nèi)預(yù)期的最高溫度時(shí)，該過程結(jié)束。

迭代過程首先假設(shè)每個(gè) MOSFET 的結(jié)溫，然后計(jì)算每個(gè) MOSFET 的單獨(dú)功耗和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境空氣溫度等于或略高于容納電源及其供電的其他電路的外殼內(nèi)的預(yù)期最高溫度時(shí)，該過程結(jié)束。

使這個(gè)計(jì)算出的環(huán)境溫度盡可能高可能很誘人，但這通常不是一個(gè)好主意。要做到這一點(diǎn)，需要更昂貴的MOSFET，在MOSFET下方有更多的銅，或者通過更大，更快的風(fēng)扇移動(dòng)更多的空氣 - 所有這些都是沒有根據(jù)的。

從某種意義上說，假設(shè)MOSFET結(jié)溫，然后計(jì)算相關(guān)的環(huán)境溫度需要反向工作。畢竟，環(huán)境溫度決定了MOSFET的結(jié)溫，而不是相反。但是，從假設(shè)的結(jié)溫開始計(jì)算所需的計(jì)算比從假設(shè)的環(huán)境溫度開始并從那里開始工作時(shí)更容易完成。

對(duì)于開關(guān) MOSFET 和同步整流器，請(qǐng)選擇允許的最大芯片結(jié)溫 TJ（熱），以此作為此迭代過程的起點(diǎn)。大多數(shù) MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)僅指定最大 RDS（ON）在 +25°C 時(shí)。 但最近，一些MOSFET文檔也列出了+125°C時(shí)的最大值。場(chǎng)效應(yīng)管 RDS（ON）隨溫度升高，典型溫度系數(shù)范圍為 0.35%/°C 至 0.5%/°C（圖 2）。

圖2.典型的功率MOSFET導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)范圍為每度0.35%（黑線）至0.5%/度（紅線）。

如有疑問，請(qǐng)使用更不利的溫度系數(shù)和 MOSFET 的 +25°C 規(guī)格（或其 +125°C 規(guī)格，如果可用）來計(jì)算近似最大值 RDS（ON）在您選擇的 TJ（熱）:

RDS(ON)HOT = RDS(ON)SPEC [1 + 0.005 × (TJ(HOT) - TSPEC)]

其中 RDS（亮起）規(guī)格是用于計(jì)算的MOSFET導(dǎo)通電阻，而T規(guī)范是 R 的溫度DS（ON）指定了規(guī)范。使用計(jì)算出的 RDS（ON）HOT，用于確定同步整流器和開關(guān)MOSFET的功耗，如下所述。

以下段落討論在假定管芯溫度下計(jì)算每個(gè)MOSFET的功耗，然后討論完成此迭代過程的其他步驟。（整個(gè)過程詳見圖 1。

同步整流器的功耗

對(duì)于除最輕負(fù)載外的所有負(fù)載，同步整流器MOSFET的漏源電壓在導(dǎo)通和關(guān)斷期間由箝位二極管箝位。因此，同步整流器不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗，使其功耗易于計(jì)算。僅必須考慮電阻損耗。

最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流器的最大占空比處，當(dāng)輸入電壓處于最大值時(shí)發(fā)生。通過使用同步整流器的RDS（ON）HOT及其占空比，以及歐姆定律，您可以計(jì)算其近似功耗：

PDSYNCHRONOUS RECTIFIER= [ILOAD2 × RDS(ON)HOT] × [1 - (VOUT/VINMAX)]

開關(guān) MOSFET 的功耗

開關(guān)MOSFET的阻性損耗與同步整流器的阻性損耗非常相似，使用其（不同的）占空比和RDS（開）熱:

PDRESISTIVE = [ILOAD2 × RDS(ON)HOT] × (VOUT/VIN)

計(jì)算開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗很困難，因?yàn)樗Q于許多難以量化且通常未指定的因素，這些因素會(huì)影響導(dǎo)通和關(guān)斷。使用以下公式中的粗略近似值作為評(píng)估MOSFET的第一步，并在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上驗(yàn)證性能：

PDSWITCHING = (CRSS × VIN2 × fSW × ILOAD)/IGATE

其中 C.RSS是 MOSFET 的反向傳遞電容（數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)），f西 南部是開關(guān)頻率，I門是 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器在 MOSFET 導(dǎo)通閾值處的灌電流/拉電流（V一般事務(wù)人員柵極電荷曲線的平坦部分）。

一旦您根據(jù)成本將選擇范圍縮小到特定一代的 MOSFET（MOSFET 的成本在很大程度上取決于它所屬的特定代次），請(qǐng)選擇該代中能夠最大限度地降低功耗的器件。這是具有相同電阻和開關(guān)損耗的器件。使用更?。ǜ欤┑腗OSFET增加電阻損耗的程度大于降低開關(guān)損耗;較大（低 RDS（ON）） 器件增加開關(guān)損耗的程度大于降低電阻損耗。

如果 VIN 發(fā)生變化，則計(jì)算開關(guān) MOSFET 在 VIN（最大值）和 VIN（最小值）下的功耗。MOSFET的最壞情況下的功耗將發(fā)生在最小或最大輸入電壓電平。耗散是兩個(gè)函數(shù)的總和：阻性耗散，在VIN（MIN）（較高的占空比）時(shí)最高，以及開關(guān)耗散，在VIN（MAX）時(shí)最高（因?yàn)閂IN2項(xiàng)）。最佳選擇在VIN極端值處具有大致相等的耗散，從而在整個(gè)VIN范圍內(nèi)平衡電阻和開關(guān)耗散。

如果耗散在V處在（分鐘）明顯更高，電阻損耗占主導(dǎo)地位。在這種情況下，請(qǐng)考慮使用更大的開關(guān)MOSFET（或多個(gè)并聯(lián)）以降低RDS（ON）.但如果在V的損失在（最大）明顯更高，請(qǐng)考慮減小開關(guān) MOSFET 的尺寸（如果使用多個(gè)器件，則移除 MOSFET），以使其開關(guān)速度更快。

如果阻斷損耗和開關(guān)損耗平衡，但仍然過高，有幾種方法可以進(jìn)行：

更改問題定義。例如，重新定義輸入電壓范圍。

改變開關(guān)頻率以降低開關(guān)損耗，可能允許更大和更低的RDS（ON）開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管。

增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器電流，可能降低開關(guān)損耗。MOSFET自身的內(nèi)部柵極電阻最終限制了柵極驅(qū)動(dòng)器電流，對(duì)這種方法施加了實(shí)際限制。

使用改進(jìn)的 MOSFET 技術(shù)，該技術(shù)可以同時(shí)切換得更快，R 更低DS（ON），并且具有較低的柵極電阻。

由于器件選擇有限，可能無法將 MOSFET 的尺寸微調(diào)到超過某一點(diǎn)。最終，必須耗散的是MOSFET的最壞情況功率。

熱阻

下一步是計(jì)算每個(gè)MOSFET周圍的環(huán)境空氣溫度，這將導(dǎo)致達(dá)到假設(shè)的MOSFET結(jié)溫。（請(qǐng)參閱上圖1，了解確定同步整流器和開關(guān)MOSFET的正確MOSFET的迭代過程。要進(jìn)行此計(jì)算，首先確定結(jié)點(diǎn)到環(huán)境熱阻 Θ賈，每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管。

熱阻可能很難估計(jì)。雖然測(cè)量 Θ 相對(duì)容易賈對(duì)于簡(jiǎn)單印刷電路板上的單個(gè)器件，很難預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際電源的熱性能，其中許多熱源競(jìng)爭(zhēng)有限的耗散路徑。如果并聯(lián)使用多個(gè)MOSFET，則可以按照與兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)電阻的等效電阻相同的方式計(jì)算其組合熱阻。

從場(chǎng)效應(yīng)管的 Θ 開始賈規(guī)范。對(duì)于單芯片、8 引腳 SO MOSFET 封裝，Θ賈通常接近 62°C/W。對(duì)于帶有散熱片或外露散熱片的其他封裝，其范圍可能在 40°C/W 至 50°C/W 之間（表 1）。

要計(jì)算MOSFET的管芯溫升高于環(huán)境溫度，請(qǐng)使用以下公式：

TJ(RISE) = PDDEVICE TOTAL × ΘJA

接下來，計(jì)算將導(dǎo)致芯片達(dá)到假設(shè)T的環(huán)境溫度J（熱）:

TAMBIENT = TJ(HOT) - TJ(RISE)

如果計(jì)算出 T氛圍低于外殼的最大指定環(huán)境溫度（意味著外殼的最大指定環(huán)境溫度將導(dǎo)致 MOSFET 假定的 TJ（熱）要超過），您必須執(zhí)行以下一項(xiàng)或多項(xiàng)操作：

提高假定的 TJ（熱），但不高于數(shù)據(jù)手冊(cè)的最大值。

通過選擇更合適的 MOSFET 來降低 MOSFET 的功耗。

降低 Θ賈通過增加MOSFET周圍的氣流或銅量。

重新計(jì)算 T氛圍.（使用電子表格簡(jiǎn)化了選擇可接受的設(shè)計(jì)通常需要的多次迭代。

或者，如果計(jì)算出 T氛圍比機(jī)柜的最高指定環(huán)境溫度高出相當(dāng)多，可以采取以下任何或所有可選步驟：

降低假定的 TJ（熱）.

減少專用于 MOSFET 功耗的銅纜。

使用較便宜的MOSFET。

最后這些步驟是可選的，因?yàn)樵谶@種情況下，MOSFET不會(huì)因溫度過高而損壞。但是，只要計(jì)算出的 T氛圍仍然比機(jī)柜的最高溫度高出一些幅度。

此過程不準(zhǔn)確的最大來源是 Θ賈.仔細(xì)閱讀與 Θ 相關(guān)的任何數(shù)據(jù)手冊(cè)注釋賈規(guī)范。典型規(guī)格假設(shè)設(shè)備安裝在 1 英寸2 的 2 盎司銅上。銅執(zhí)行大部分功率耗散，不同數(shù)量的銅變化Θ賈大幅。例如，Θ賈的 D-Pak 可能是 50°C/W，含 1 英寸2的銅。但是，由于銅僅支撐封裝尺寸，因此Θ賈超過一倍（表1）。

當(dāng)多個(gè) MOSFET 并聯(lián)時(shí)，Θ賈主要取決于它們安裝到的銅區(qū)域。等效 Θ賈對(duì)于兩個(gè)器件來說，可以是一個(gè)器件的一半，但前提是銅面積也翻了一番。也就是說，在不增加銅的情況下添加一個(gè)并聯(lián)MOSFET會(huì)使RDS（ON），但更改 Θ賈少得多。

最后，Θ賈規(guī)格假設(shè)沒有其他器件向銅耗散區(qū)域貢獻(xiàn)熱量。在高電流下，電源路徑中的每個(gè)組件，甚至 PC 板銅，都會(huì)產(chǎn)生熱量。為避免 MOSFET 過熱，請(qǐng)仔細(xì)估算 q賈物理情況可以實(shí)際實(shí)現(xiàn)并考慮以下幾點(diǎn)：

研究所選 MOSFET 的可用熱信息。

調(diào)查是否有空間可用于其他銅、散熱器和其他設(shè)備。

確定增加氣流是否可行。

查看其他器件是否為假定的耗散路徑貢獻(xiàn)了大量熱量。

估計(jì)附近組件和空間的過度加熱或冷卻。

設(shè)計(jì)示例

圖3所示的CPU內(nèi)核電源在1A時(shí)提供5.60V電壓。兩個(gè)工作在 30kHz 的相同 300A 功率級(jí)提供 60A 輸出電流。MAX1544 IC在單個(gè)方案中驅(qū)動(dòng)兩級(jí)，使用兩相180°錯(cuò)相。電源的輸入范圍為7V至24V，外殼的額定最高環(huán)境溫度為+60°C。

圖3.該降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的MOSFET采用本文所述的迭代過程進(jìn)行選擇。電路板設(shè)計(jì)人員通常使用這種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器為現(xiàn)代高性能CPU供電。

同步整流器包括兩個(gè)并聯(lián)的 IRF6603 MOSFET，室溫下的最大 RDS（ON） 為 2.75mΩ，+125°C 時(shí)約為 4.13mΩ（假定的 TJ（HOT））。這些并聯(lián) MOSFET 的最大占空比為 94%，負(fù)載電流為 30A，最大 RDS（ON） 為 4.13mΩ，功耗約為 3.5W。提供 2in2 銅以消耗該功率，總 ΘJA 應(yīng)約為 18°C/W。 請(qǐng)注意，該熱阻值取自 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)。組合MOSFET的溫升約為+63°C，因此該設(shè)計(jì)可在高達(dá)+60°C的環(huán)境溫度下工作。

開關(guān) MOSFET 具有兩個(gè)并聯(lián)的 IRF6604 MOSFET，室溫下組合最大 RDS（ON） 為 6.5mΩ，+125°C 時(shí)約為 9.75mΩ（假定的 TJ（HOT））。組合CRSS為380pF。MAX1544為高邊、1Ω柵極驅(qū)動(dòng)器，可提供約1.6A電流。VIN = 7V時(shí)，阻性損耗為1.63W，開關(guān)損耗約為0.105W。VIN = 24V時(shí)，阻性損耗為0.475W，開關(guān)損耗約為1.23W。每個(gè)輸入工作點(diǎn)的總損耗大致相等，最小VIN時(shí)最差情況下的總損耗為1.74W。

與ΘJA 約28°C/W，預(yù)期溫升為+46°C，可在高達(dá)+80°C的環(huán)境溫度下工作。 當(dāng)環(huán)境溫度高于外殼的最高指定溫度時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇減少專用于 MOSFET 的銅面積，盡管此步驟是可選的。本例中的銅區(qū)域僅是MOSFET所必需的。如果其他設(shè)備將熱量散發(fā)到這些區(qū)域，則可能需要更大的銅面積。如果沒有空間容納額外的銅，請(qǐng)降低總功耗，將熱量分散到低耗散區(qū)域，或使用主動(dòng)方式散熱。

結(jié)論

熱管理是大功率便攜式設(shè)計(jì)中最困難的方面/挑戰(zhàn)之一。這種困難使得上述迭代過程變得必要。雖然這個(gè)過程應(yīng)該使電路板設(shè)計(jì)人員接近最終設(shè)計(jì)，但實(shí)驗(yàn)室工作必須最終確定設(shè)計(jì)過程是否足夠準(zhǔn)確。計(jì)算 MOSFET 的熱特性并確保其耗散路徑，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中檢查這些計(jì)算，有助于保證穩(wěn)健的熱設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷