大電流便攜式DCDC中MOSFET功耗的計(jì)算

1、大電流便攜式dc-dc中mosfet功耗的計(jì)算魯思慧 眾所周知,今天的攜便式電源設(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。因近年來,內(nèi)核cpu所需的電源電流每兩年就翻一倍,即便攜式內(nèi)核cpu電源電流需求會高達(dá)40a之多，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。 對于如此高電流的電源,通常將以分割為兩個(gè)或多相，即使每一相提供15a到25a. 例如，一個(gè)40a電源變成了兩個(gè)20a電源。雖然這種方式可使元件的選擇更容易。但是，這種方法并沒有額外增加板上或環(huán)境空間，這

2、對于熱設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)基本上沒有多大幫助。為什么這么說呢?這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)高電流電源時(shí)，mosfet是最難確定的元件。這一點(diǎn)在筆記本電腦中尤其顯著，在這樣的環(huán)境中，散熱器、風(fēng)扇、熱管和其它散熱手段通常都留給了cpu。而電源設(shè)計(jì)常常卻要面臨諸多不利因素的挑戰(zhàn), 那就是只是狹小的空間和靜止的氣流以及附近其它元件散發(fā)的熱量等惡劣環(huán)境.而且，除了電源下面少量的印制板銅膜外，沒有任何其它手段可以用來協(xié)助耗散功率。 那末如何挑選mosfet呢?回答是,在桃選mosfet時(shí),首先是要選擇有足夠的電流處理能力，并具有足夠的散熱通道的器件,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,如何計(jì)算

3、這些mosfet的功率耗散，并確定它們的工作溫度,然后進(jìn)一步闡明這些概念,從而分析出一個(gè)多相、同步整流、降壓型cpu核電源mosfet功耗計(jì)算方法就成了本文敘述的重點(diǎn). 計(jì)算mosfet的耗散功率 為了確定一個(gè)mosfet 是否適合于特定應(yīng)用,必須計(jì)算一下其功率耗散, mosfet功率耗散(pd總)主要包含阻性損耗(pd阻性)和開關(guān)損耗(pd開關(guān))兩部分:即 pd總= pd阻性+ pd開關(guān) 由于mosfet的功率耗散很大程度上依賴于它的導(dǎo)通電阻(rds(on)，計(jì)算rds(on)似乎是一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。但是mosfet的rds(on)與它的結(jié)溫 (tj)有關(guān)。而t

4、j又依賴于mosfet的功率耗散以及mosfet的熱阻()。這樣，又似乎很難找到一個(gè)著眼點(diǎn)。但由于功率耗散的計(jì)算涉及到若干個(gè)相互依賴的因素，為此,我們可以采用一種迭代過程獲得我們所需要的結(jié)果(見圖1流程所示)。  迭代過程始于為每個(gè)mosfet假定一個(gè)結(jié)溫(tj )，然后，計(jì)算每個(gè)mosfet各自的功率耗散和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境氣溫達(dá)到或略高于期望的機(jī)殼內(nèi)最高溫度時(shí)，這個(gè)過程便結(jié)束了。 如果試圖使這個(gè)計(jì)算所得的環(huán)境溫度盡可能高，但通常這并不是一個(gè)好的設(shè)想,這是為什么呢?因?yàn)檫@樣,就要求采用更昂貴的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)

5、扇產(chǎn)生氣流等,所有這些都不是我們所期望的。 為此,從某種意義上講，可先假定一個(gè)mosfet結(jié)溫(tj )，然后再計(jì)算環(huán)境溫度，這是一種逆向的設(shè)計(jì)方法,因?yàn)楫吘故窍扔协h(huán)境溫度決定mosfet的結(jié)溫(tj ),而不是相反。然而，從一個(gè)假定的結(jié)溫開始計(jì)算要比從環(huán)境溫度開始容易一些。對于開關(guān)mosfet和同步整流器，我們可以選擇一個(gè)最大允許的管芯結(jié)溫(tj(hot)作為迭代過程的出發(fā)點(diǎn),多數(shù)mosfet的數(shù)據(jù)手冊只規(guī)定了+25下的最大rds(on)，不過最近有些產(chǎn)品也提供了+125下的最大值。mosfet的rds(on)隨著溫度而增加，典型溫度系數(shù)在0.35至0.5之間(見圖2所示)。如果拿不準(zhǔn)，可以

6、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tj(hot)下以最大rds(on) 作近似估算： 即,rds(on) hot = rds(on) spec 1+0.005×(tj(hottspec)  其中，rds(on)spec是計(jì)算所用的mosfet導(dǎo)通電阻，tspec是規(guī)定rds(on)spec時(shí)的溫度.利用計(jì)算出的rds(on)hot，可以確定同步整流器和開關(guān)mosfet的功率消耗，具體做法如下所述。即,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率消耗，以及完成迭代過程的后續(xù)步驟(整個(gè)過程詳述見圖1所示)。

7、同步整流器的功率消耗 除最輕負(fù)載以外，各種情況下同步整流器mosfet的漏、源電壓在打開和關(guān)閉過程中都會被續(xù)流二極管鉗位。因此，同步整流器幾乎沒有開關(guān)損耗，它的功率消耗(pd同步整流)很容易計(jì)算。只需要考慮阻性損耗即可。最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流器工作在最大占空比時(shí)，也就是當(dāng)輸入電壓達(dá)到最大時(shí)。利用同步整流器的rds(on)hot和工作占空比，通過歐姆定律我們可以近似計(jì)算出它的功率消耗：   開關(guān)mosfet的功率耗散 開關(guān)mosfet的阻性損耗(pd阻性)計(jì)算和同步整流器非常相似，也要利用它的占空比(但不同于前者)和rds(on)hot： 

8、;  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多難以量化并且通常沒有規(guī)格的因素，這些因素同時(shí)影響到打開和關(guān)閉過程。為此,我們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：  其中crss是mosfet的反向傳輸電容(數(shù)據(jù)手冊中的一個(gè)參數(shù))，fsw為開關(guān)頻率，igatb是mosfet的柵極驅(qū)動器在mosfet處于臨界導(dǎo)通(vgs位于柵極充電曲線的平坦區(qū)域)時(shí)的吸收源出電流。若基于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)，我們就可以在這一代的器件中找到一個(gè)能夠使

9、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rds(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vin是變化的，需要在vin(max)和vin(min)下分別計(jì)算開關(guān)mosfet的功率耗散。mosfet功率耗散的最壞情況可能會出現(xiàn)在最低或最高輸入電壓下。該耗散功率是兩種因素之和：在vin(min)時(shí)達(dá)到最高的阻性耗散(占空比較高),以及在vin(max)時(shí)達(dá)到最高的開關(guān)損耗(由于項(xiàng)的緣故)。一個(gè)好的選擇應(yīng)該在vin的兩種極端情況下具有大致相同的耗散，并且在整個(gè)vin

10、范圍內(nèi)保持均衡的阻性和開關(guān)損耗。 如果損耗在vin (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)更大一點(diǎn)的開關(guān)mosfet(或?qū)⒁粋€(gè)以上的多個(gè)管子相并聯(lián))以降低rds(on)。但如果在vin(max)時(shí)損耗顯著高出，則應(yīng)該考慮降低開關(guān)mosfet的尺寸(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，有多種辦法可以解決： * 改變問題的定義。例如，重新定義輸入電壓范圍。 * 改變開關(guān)頻率以便降低開關(guān)損耗，有可能使用更大一點(diǎn)的(而rds(on)更低)開關(guān)mosfet。 * 增加?xùn)艠O驅(qū)動電流

11、，有可能降低開關(guān)損耗。mosfet自身的內(nèi)部柵極電阻最終限制了柵極驅(qū)動電流，實(shí)際上限制了這種方法的有效性。 * 采用一個(gè)改進(jìn)技術(shù)的mosfet，以便同時(shí)獲得更快的開關(guān)速度、更低的rds(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。而選擇的底線是mosfet在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。 關(guān)于熱阻 現(xiàn)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來作為同步整流器和開關(guān)mosfet。這一步是要計(jì)算每個(gè)mosfet周圍的環(huán)境氣溫，在這個(gè)溫度下，mosfet結(jié)溫將達(dá)到我

12、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()。熱阻的估算可能會比較困難。單一器件在一個(gè)簡單的印刷板上的的測算相對容易一些，而要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)去預(yù)測實(shí)際電源的熱性能是很困難的，那里有許多熱源在爭奪有限的散熱通道。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的規(guī)格開始。對于單一管芯、8引腳封裝的mosfet來講，通常接近于62w。其他類型的封裝，有些帶有散熱片或暴露的導(dǎo)熱片，其熱阻一般會在40w至50w(見表1所示)。可以用下面的公式計(jì)算mosfet的管芯相對于環(huán)境的溫升tj(rise)：tj(rise)=p

13、d總× 接下來，計(jì)算導(dǎo)致管芯達(dá)到預(yù)定tj(hot) 時(shí)的環(huán)境溫度tambient： tambient=tj(hot)tj(rise)如果計(jì)算出的低于機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度(意味著機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度將導(dǎo)致mosfet的預(yù)定tj(hot)被突破)，必須采用下列一條或更多措施： * 升高預(yù)定的tj(hot)，但不要超出數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最大值。 * 選擇更合適的mosfet以降低mosfet的功耗。* 通過增加氣流或mosfet周圍的銅膜降低。再重算tambient (采用速算表可以簡化計(jì)算過程，經(jīng)過多次反復(fù)方可選出一個(gè)可接受的設(shè)計(jì))。而表1為mosfet封裝的典型熱阻另一方面，如果計(jì)算出

14、的tambient高出機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度很多，可以采取下述可選步驟中的任何一條或全部： * 降低預(yù)定的tj(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不會因過熱而損壞。不過，通過這些步驟只要保證tambient高出機(jī)殼最高溫度一定裕量，我們可以降低線路板面積和成本。上述計(jì)算過程中最大的誤差源來自于。應(yīng)該仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊中有關(guān)規(guī)格的所有注釋。一般規(guī)范都假定器件安裝在lin2的2oz銅膜上。銅膜耗散了大部分的功率，不同數(shù)量的銅膜差別很大。例如，帶有l(wèi)in2銅膜的dpak封裝會達(dá)到50w。但是如果只將銅膜鋪設(shè)

15、在引腳的下面，將高出兩倍(見表1)。如果將多個(gè)mosfet并聯(lián)使用，主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個(gè)器件的等效可以是單個(gè)器件的一半，但必須同時(shí)加倍銅膜面積。也就是說，增加一個(gè)并聯(lián)的mosfet而不增加銅膜的話，可以使rds(on)減半但不會改變很多。最后，規(guī)范通常都假定沒有任何其它器件向銅膜的散熱區(qū)傳遞熱量。但在高電流情況下，功率通路上的每個(gè)元件，甚至是印刷板線條都會產(chǎn)生熱量。為了避免mosfet過熱，需仔細(xì)估算實(shí)際情況下的，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