大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計(jì)算

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某個(gè)MOSFET進(jìn)行評價(jià)，然后通過實(shí)驗(yàn)對其性能進(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

按照圖1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。