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)?，先從一個(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)?，這勢(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。