大功率電源MOS工作溫度確定之計(jì)算功率耗散

在電子電路設(shè)計(jì)中，散熱設(shè)計(jì)是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。但在很多設(shè)計(jì)環(huán)境下，空間的狹小程度限制了散熱功能設(shè)計(jì)與發(fā)揮。在大功率電源MOSFET當(dāng)中這種情況尤其明顯。為了盡量控制熱量的產(chǎn)生，就必須對(duì)功率電源中MOSFET的功率耗散進(jìn)行精密的計(jì)算，本文就將針對(duì)功率耗散的問(wèn)題進(jìn)行講解，對(duì)確定工作溫度步驟當(dāng)中的第一步功率耗散進(jìn)行介紹。

計(jì)算功率耗散

以CPU內(nèi)核20A的電源設(shè)計(jì)為例，要確定一個(gè)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管是否適于某一特定應(yīng)用，需要對(duì)其功率耗散進(jìn)行計(jì)算。

耗散主要包括阻抗耗散和開(kāi)關(guān)耗散：PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING

由于MOSFET的功率耗散很大程度上取決于其導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，計(jì)算RDS(ON)看似是一個(gè)很好的著手之處。但MOSFET的導(dǎo)通電阻取決于結(jié)溫TJ。返過(guò)來(lái)，TJ又取決于MOSFET中的功率放大器耗散和MOSFET的熱阻。這樣，很難確定空間從何處著手。由于在功率耗散計(jì)算中的幾個(gè)條件相互依賴，確定其數(shù)值時(shí)需要迭代過(guò)程(圖1)。

這一過(guò)程從首先假設(shè)各MOSFET的結(jié)溫開(kāi)始，同樣的過(guò)程對(duì)于每個(gè)MOSFET單獨(dú)進(jìn)行。MOSFET的功率耗散和允許的環(huán)境溫度都要計(jì)算。

當(dāng)允許的周?chē)鷾囟冗_(dá)到或略高于電源封裝內(nèi)和其供電的電路所期望的最高溫度時(shí)結(jié)束。使計(jì)算的環(huán)境溫度盡可能高看似很誘人，但這通常不是一個(gè)好主意。這樣做將需要更昂貴的MOSFET、在MOSFET下面更多地使用銅片，或者通過(guò)更大或更快的風(fēng)扇使空氣流動(dòng)。所有這些都沒(méi)有任何保證。

在某種意義上，這一方案蒙受了一些“回退”。畢竟，環(huán)境溫度決定MOSFET的結(jié)溫，而不是其他途徑。但從假設(shè)結(jié)溫開(kāi)始所需要的計(jì)算，比從假設(shè)環(huán)境溫度開(kāi)始更易于實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于開(kāi)關(guān)MOSFET和同步整流器兩者，都是選擇作為此迭代過(guò)程開(kāi)始點(diǎn)的最大允許裸片結(jié)溫(TJ(HOT))。大多數(shù)MOSFET數(shù)據(jù)參數(shù)頁(yè)只給出25°C的最大RDS(ON)，但近來(lái)有一些也提供了125°C的最大值。MOSFETRDS(ON)隨著溫度而提高，通常溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C的范圍內(nèi)(圖2)。如果對(duì)此有所懷疑，可以采用更悲觀的溫度系數(shù)和MOSFET在25°C規(guī)格參數(shù)(或125°C的規(guī)格參數(shù)，如果有提供的話)計(jì)算所選擇的TJ(HOT)處的最大RDS(ON)：RDS(ON)HOT =RDS(ON)SPEC ×[1+0.005×]

其中，RDS(ON)SPEC為用于計(jì)算的MOSFET導(dǎo)通電阻，而TSPEC為得到RDS(ON)SPEC的溫度。如下描述，用計(jì)算得到的RDS(ON)HOT確定MOSFET和同步整流器的功率耗散。討論計(jì)算各MOSFET在假定裸片溫度的功率耗散的段落之后，是對(duì)完成此迭代過(guò)程所需其他步驟的描述。

大功率電源MOSFET的溫度確定較為復(fù)雜。需要多個(gè)步驟進(jìn)行輔助，本文主要對(duì)其中的計(jì)算功率耗散部分進(jìn)行了介紹，在之后的文章中，小編將為大家介紹其余步驟，希望大家能夠關(guān)注電源網(wǎng)的更多其它文章。