大功率電源中MOSFET功率計(jì)算

　　由于元器件選擇數(shù)量范圍所限，超出某一特定點(diǎn)對MOSFET尺寸進(jìn)行精確調(diào)整也許不太可能，其底線在于MOSFET在最壞情況下的功率必須得以耗散。

　　熱阻

　　再參考圖1說明，確定是否正確選擇了用于同步整流器和開關(guān)MOSFET的MOSFET迭代過程的下一個(gè)步驟。這一步驟計(jì)算每個(gè)MOSFET的環(huán)境空氣溫度，它可能導(dǎo)致達(dá)到假設(shè)的MOSFET結(jié)溫。為此，首先要確定每個(gè)MOSFET的結(jié)與環(huán)境間的熱阻(ΘJA)。

　　如果多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，可以通過與計(jì)算兩個(gè)或更多關(guān)聯(lián)電阻的等效電阻相同的方法，計(jì)算其組合熱阻。熱阻也許難以估計(jì)，但測量在一簡單PC板上的單一器件的ΘJA就相當(dāng)容易，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際電源的熱性能難以預(yù)計(jì)，許多熱源在競爭有限的散熱通道。

　　讓我們從MOSFET的ΘJA開始。對于單芯片SO-8 MOSFET封裝，ΘJA通常在62°C/W附近。對于其他封裝，帶有散熱柵格或暴露的散熱條，ΘJA可能在40°C/W和50°C/W之間(參見表)。計(jì)算多高的環(huán)境溫度將引起裸片達(dá)到假設(shè)的TJ(HOT)：TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)

　　如果計(jì)算的TAMBIENT比封裝最大標(biāo)稱環(huán)境溫度低(意味著封裝的最大標(biāo)稱環(huán)境溫度將導(dǎo)致超過假設(shè)的MOSFETTJ(HOT))，就要采取以下一種或所有措施：

　　提高假設(shè)的TJ(HOT)(HOT，但不要超過數(shù)據(jù)參數(shù)頁給出的最大值;通過選擇更合適的MOSFET，降低MOSFET功率耗散;或者，通過加大空氣流動(dòng)或MOSFET周圍的銅散熱片面積降低ΘJA。

　　然后重新計(jì)算。采用電子數(shù)據(jù)表以簡化確定可接受的設(shè)計(jì)所要求的典型的多重迭代。

　　另一方面，如果計(jì)算的比封裝最大標(biāo)稱環(huán)境溫度高得多，就要采取以下一種或所有措施：

　　降低假設(shè)的TJ(HOT);減少用于MOSFET功率耗散的銅散熱片面積;或者，采用不那么昂貴的MOSFET。

　　這些步驟是可選的，因?yàn)楸景咐蠱OSFET不會由于超過設(shè)定溫度而損壞。然而，在TAMBIENT比封裝的最大溫度高時(shí)，這些步驟可以減小板面積和成本。

　　該過程中最大的不準(zhǔn)確性來源于ΘJA。仔細(xì)研讀ΘJA規(guī)格參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)頁說明。典型的規(guī)格說明假設(shè)器件安裝于1平方英寸的2盎司銅片。銅片承擔(dān)了大部分的散熱，而銅片的大小對ΘJA有顯著影響。

　　例如，采用1平方英寸的銅片，D-Pak的ΘJAD-Pak可能是50°C/W。但如果銅片就設(shè)在封裝引腳下，ΘJA值將會加倍(參見表)。采用多個(gè)并聯(lián)MOSFET，ΘJA主要依賴于它所安裝的銅片面積。兩個(gè)元器件的等效ΘJA可能是只有一個(gè)元器件時(shí)的一半，除非銅片的面積加倍。就是說，增加并聯(lián)MOSFET而不同時(shí)增加銅片面積，將使RDS(ON)減半，但對ΘJA的改變小得多。

　　最后，ΘJA的規(guī)格參數(shù)假設(shè)銅片散熱面積不需考慮其他元器件的散熱。在高電流時(shí)，在功率路徑上的每個(gè)元件，甚至是PC板上的銅材料都會產(chǎn)生熱量。為避免對的MOSFET過度加熱，需要仔細(xì)計(jì)估算實(shí)際物理環(huán)境能達(dá)到的ΘJA值;研究所選擇的MOSFET提供的熱參數(shù)信息;檢查是否有空間用于增加額外的銅片、散熱器和其他器件;確定增加空氣流動(dòng)是否可行;看看在假設(shè)的散熱通道有沒有其他明顯的熱源，并要估算一下附近元件和空間的加熱或冷卻作用。

設(shè)計(jì)實(shí)例

　　圖3所示CPU內(nèi)核電源在40A提供1.3V。兩個(gè)同樣的20A電源在300kHz運(yùn)行，提供40A輸出電源。MAX1718主控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)，而MAX1897從控制器驅(qū)動(dòng)另一個(gè)。該電源輸入范圍在8～20V之間，指定封裝的最高工組作環(huán)境溫度60°C。

　　同步整流器包括兩個(gè)并聯(lián)的IRF7822MOSFET，在室溫條件下組合的最大RDS(ON)為3.25mΩ，而假設(shè)TJ(HOT)為115°C時(shí)約為4.7mΩ。最大負(fù)載系數(shù)94%，20A負(fù)載電流和4.7mΩ最大RDS(ON)，并聯(lián)MOSFET的耗散約為1.8W。提供2平方英寸的銅片以進(jìn)行散熱，總ΘJA約為31°C/W。組合MOSFET的溫度上升約為55°C，所以此設(shè)計(jì)將在60°左右的環(huán)境溫度工作。

　　在室溫下組合的最大RDS(ON)為6mΩ，在115°C(假設(shè)的TJ(HOT))為8.7mΩ的兩個(gè)并聯(lián)IRF7811WMOSFET組成開關(guān)MOSFET。組合CRSS為240pF。MAX1718以及MAX1897的1Ω柵極驅(qū)動(dòng)輸出約為2A.。當(dāng)VIN=8V時(shí)，電阻損耗為0.57W，而開關(guān)損耗約為0.05W。在20V時(shí)，電阻損耗為0.23W，而開關(guān)損耗約為0.29W。在每個(gè)操作點(diǎn)的總損耗大體平衡，而在最小VIN處的最壞情況下，等于0.61W。

　　由于功率耗散水平不高，我們可以在這對MOSFET下面提供了0.5平方英寸的銅片，達(dá)到約55°C/W的總ΘJA。這樣以35°C的升溫，可以支持達(dá)80°C的環(huán)境溫度。

　　本實(shí)例的銅散熱片僅要求對MOSFET提供。如果有其它器件散熱，也許要求銅散熱片面積更大。如果空間不允許增加額外的銅散熱片，可以減小總功率耗散，將熱量擴(kuò)散到散熱量較低的地方，或采用其他方法散熱。

　　熱能管理是大功率便攜設(shè)計(jì)中最困難的方面之一，它使上述的迭代過程成為必需。雖然這一過程使板設(shè)計(jì)者已經(jīng)接近于最終設(shè)計(jì)，但還是必須通過實(shí)驗(yàn)室工作最終確定設(shè)計(jì)過程是否準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)室中計(jì)算MOSFET的熱能特性、確何其散熱通道并檢查計(jì)算結(jié)果，有助于確保可靠的熱設(shè)計(jì)。