大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計(jì)算

熱阻的估算可能會(huì)比較困難。單一器件在一個(gè)簡(jiǎn)單的印刷板上的θ_JA的測(cè)算相對(duì)容易一些，而要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)去預(yù)測(cè)實(shí)際電源的熱性能是很困難的，因?yàn)?，那里有許多熱源在爭(zhēng)奪有限的散熱通道。如果有多個(gè)MOSFET被并聯(lián)使用，其整體熱阻的計(jì)算方法，和計(jì)算兩個(gè)以上并聯(lián)電阻的等效電阻一樣。

我們可以從MOSFET的θ_JA規(guī)格開(kāi)始。對(duì)于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來(lái)講，θ_JA通常接近于62℃／W。其他類型的封裝，有些帶有散熱片或暴露的導(dǎo)熱片，其熱阻一般會(huì)在40℃／W至50℃／W(見(jiàn)表1所列)。可以用下面的公式計(jì)算MOSFET的管芯相對(duì)于環(huán)境的溫升T_j(rise)，即

T_j(rise)=P_L×θ_JA（5）

接下來(lái)，計(jì)算導(dǎo)致管芯達(dá)到預(yù)定T_j(hot)時(shí)的環(huán)境溫度T_ambient， 即

表1 MOSFET封裝的典型熱阻

T_ambient=T_j(hot)－T_j(rise)（6）

如果計(jì)算出的θ_JA低于機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度，必須采用下列一條或多條措施：

——升高預(yù)定的T_j(hot)，但不要超出數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的最大值；

——選擇更合適的MOSFET以降低其功耗；

——通過(guò)增加氣流或MOSFET周圍的銅膜降低θ_JA。

再重算T_ambient(采用速算表可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)方可選出一個(gè)可接受的設(shè)計(jì))。而表1為MOSFET封裝的典型熱阻。

如果計(jì)算出的T_ambient高出機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度很多，可以采取下列一條或全部措施：

——降低預(yù)定的T_j(hot)；

——減小專用于MOSFET散熱的銅膜面積；

——采用更廉價(jià)的MOSFET。

這些步驟是可選的，因?yàn)樵诖饲闆r下MOSFET不會(huì)因過(guò)熱而損壞。不過(guò)，通過(guò)這些步驟只要保證T_ambient高出機(jī)殼最高溫度一定裕量，便可以降低線路板面積和成本。

上述計(jì)算過(guò)程中最大的誤差源來(lái)自于θ _JA。應(yīng)該仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)中有關(guān)θJA規(guī)格的所有注釋。一般規(guī)范都假定器件安裝在4.82g/cm²的銅膜上。銅膜耗散了大部分的功率，不同數(shù)量的銅膜θ _JA差別很大。例如，帶有4.82g/cm²銅膜的D－Pak封裝的θ _JA會(huì)達(dá)到50℃／W。但是如果只將銅膜鋪設(shè)在引腳的下面，θ_JA將高出兩倍(見(jiàn)表1)。如果將多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，θ _JA主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個(gè)器件的等效θ _JA可以是單個(gè)器件的一半，但必須同時(shí)加倍銅膜面積。也就是說(shuō)，增加一個(gè)并聯(lián)的MOSFET而不增加銅膜的話，可以使R_DS(on)減半但不會(huì)改變θ _JA很多。最后，θ _JA規(guī)范通常都假定沒(méi)有任何其它器件向銅膜的散熱區(qū)傳遞熱量。但在大電流情況下，功率通路上的每個(gè)元器件，甚至是印刷板線條都會(huì)產(chǎn)生熱量。為了避免MOSFET過(guò)熱，須仔細(xì)估算實(shí)際情況下的θ _JA，并采取下列措施：

——仔細(xì)研究選定MOSFET現(xiàn)有的熱性能方面的信息；

——考察是否有足夠的空間，以便設(shè)置更多的銅膜、散熱器和其它器件；

——確定是否有可能增加氣流；

——觀察一下在假定的散熱路徑上，是否有其它顯著散熱的器件；

——估計(jì)一下來(lái)自周圍元件或空間的過(guò)剩熱量或冷量。

3 結(jié)語(yǔ)

熱管理是大電流便攜式DC/DC設(shè)計(jì)中難度較大的領(lǐng)域之一。這種難度迫使我們有必要采用上述迭代流程。盡管該過(guò)程能夠引領(lǐng)熱性能設(shè)計(jì)者靠近最佳設(shè)計(jì)，但是還必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)最終確定設(shè)計(jì)流程是否足夠精確。應(yīng)計(jì)算MOSFET的熱性能，為它們提供足夠的耗散途徑，然后在實(shí)驗(yàn)室中檢驗(yàn)這些計(jì)算，這樣有助于獲得一個(gè)耐用而安全的熱設(shè)計(jì)。