大功率电源中MOSFET功率计算

大功率电源中大功率电源中 MOSFETMOSFET 功率计算功率计算 摘要 要确定一个 MOSFET 场效应管是否适于某一特定应用 需要对其功率耗 散进行计算 耗散主要包括阻抗耗散和开关耗散 PDDEVICETOTAL PDRESISTIVE PDSWITCHING 计算功率耗散计算功率耗散 要确定一个 MOSFET 场效应管是否适于某一特定应用 需要对其功率耗散进行计 算 耗散主要包括阻抗耗散和开关耗散 PDDEVICETOTAL PDRESISTIVE PDSWITCHING 由于 MOSFET 的功率耗散很大程度上取决于其导通电阻 RDS ON 计算 RDS ON 看 似是一个很好的着手之处 但 MOSFET 的导通电阻取决于结温 TJ 返过来 TJ 又取决于 MOSFET 中的功率放大器耗散和 MOSFET 的热阻 JA 这样 很难确 定空间从何处着手 由于在功率耗散计算中的几个条件相互依赖 确定其数值 时需要迭代过程 图 1 这一过程从首先假设各 MOSFET 的结温开始 同样的过程对于每个 MOSFET 单独 进行 MOSFET 的功率耗散和允许的环境温度都要计算 当允许的周围温度达到或略高于电源封装内和其供电的电路所期望的最高温度 时结束 使计算的环境温度尽可能高看似很诱人 但这通常不是一个好主意 这样做将需要更昂贵的 MOSFET 在 MOSFET 下面更多地使用铜片 或者通过更 大或更快的风扇使空气流动 所有这些都没有任何保证 在某种意义上 这一方案蒙受了一些 回退 毕竟 环境温度决定 MOSFET 的 结温 而不是其他途径 但从假设结温开始所需要的计算 比从假设环境温度 开始更易于实现 对于开关 MOSFET 和同步整流器两者 都是选择作为此迭代过程开始点的最大允 许裸片结温 TJ HOT 大多数 MOSFET 数据参数页只给出 25 C 的最大 RDS ON 但近来有一些也提供了 125 C 的最大值 MOSFETRDS ON 随着温度而提高 通常温度系数在 0 35 C 至 0 5 C 的范围内 图 2 如果对此有所怀疑 可以采用更悲观的温度系数和 MOSFET 在 25 C 规格参数 或 125 C 的规格参数 如果有提供的话 计算所选择的 TJ HOT 处的最大 RDS ON RDS ON HOT RDS ON SPEC 1 0 005 TJ HOT TSPEC 其中 RDS ON SPEC 为用于计算的 MOSFET 导通电阻 而 TSPEC 为得到 RDS ON SPEC 的温度 如下描述 用计算得到的 RDS ON HOT 确定 MOSFET 和同步整流器 的功率耗散 讨论计算各 MOSFET 在假定裸片温度的功率耗散的段落之后 是对 完成此迭代过程所需其他步骤的描述 同步整流器的耗散同步整流器的耗散 对于除最大负载外的所有负载 在开 关过程中 同步整流器的 MOSFET 的漏源 电压通过捕获二极管箝制 因此 同步整流器没有引致开关损耗 使其功率耗 散易于计算 需要考虑只是电阻耗散 最坏情况下损耗发生在同步整流器负载系数最大的情况下 即在输入电压为最 大值时 通过使用同步整流器的 RDS ON HOT 和负载系数以及欧姆定律 就可以 计算出功率耗散的近似值 PDSYNCHRONOUSRECTIFIER ILOAD2 RDS ON HOT 1 VOUT VIN MAX 开关开关 MOSFETMOSFET 的耗散的耗散 开关 MOSFET 电阻损耗的计算与同步整流器的计算相仿 采用其 不同的 负载系 数和 RDS ON HOT PDRESISTIVE ILOAD2 RDS ON HOT VOUT VIN 由于它依赖于许多难以定量且通常不在规格参数范围 对开关产生影响的因素 开关 MOSFET 的开关损耗计算较为困难 在下面的公式中采用粗略的近似值作为 评估一个 MOSFET 的第一步 并在以后在实验室内对其性能进行验证 PDSWITCHING CRSS VIN2 fSW ILOAD IGATE 其中 CRSS 为 MOSFET 的反向转换电容 一个性能参数 fSW 为开关频率 而 IGATE 为 MOSFET 的启动阈值处 栅极充电曲线平直部分的 VGS 的 MOSFET 栅极驱 动的吸收电流和的源极电流 一旦根据成本 MOSFET 的成本是它所属于那一代产品的非常重要的功能 将选择 范围缩小到特定的某一代 MOSFET 那一代产品中功率耗散最小的就是具有相等 电阻损耗和开关损耗的型号 若采用更小 更快 的器件 则电阻损耗的增加幅 度大于开关损耗的减小幅度 而采用更大 RDS ON 低 的器件中 则开关损耗的 增加幅度大于电阻损耗的减小幅度 如果 VIN 是变化的 必须同时计算在 VIN MAX 和 VIN MIN 处的开关 MOSFET 的 功率耗散 MOSFET 最坏情况下功率耗散将出现在最小或最大输入电压处 耗散 为两个函数的和 在 VIN MIN 较高的负载系数 处达到最大的电阻耗散 和在 VIN MAX 由于 VIN2 的影响 处达到最大的开关耗散 最理想的选择略等于在 VIN 极值的耗散 它平衡了 VIN 范围内的电阻耗散和开关耗散 如果在 VIN MIN 处的耗散明显较高 电阻损耗为主 在这种情况下 可以考虑 采用较大的开关 MOSFET 或并联多个以达到较低的 RDS ON 值 但如果在 VIN MAX 处的耗散明显较高 则可以考虑减小开关 MOSFET 的尺寸 如果采用多 个器件 或者可以去掉 MOSFET 以使其可以更快地开关 如果所述电阻和开关损耗平衡但还是太高 有几个处理方式 改变题目设定 例如 重新设定输入电压范围 改变开关频率 可以降低开关损 耗 且可能使更大 更低的 RDS ON 值的开关 MOSFET 成为可能 增大栅极驱动 电流 降低开关损耗 MOSFET 自身最终限制了栅极驱动电流的内部栅极电阻 实际上局限了这一方案 采用可以更快同时开关并具有更低 RDS ON 值和更低的 栅极电阻的改进的 MOSFET 技术 由于元器件选择数量范围所限 超出某一特定点对 MOSFET 尺寸进行精确调整也 许不太可能 其底线在于 MOSFET 在最坏情况下的功率必须得以耗散 热阻热阻 再参考图 1 说明 确定是否正确选择了用于同步整流器和开关 MOSFET 的 MOSFET 迭代过程的下一个步骤 这一步骤计算每个 MOSFET 的环境空气温度 它可能导致达到假设的 MOSFET 结温 为此 首先要确定每个 MOSFET 的结与环 境间的热阻 JA 如果多个 MOSFET 并联使用 可以通过与计算两个或更多关联电阻的等效电阻相 同的方法 计算其组合热阻 热阻也许难以估计 但测量在一简单 PC 板上的单 一器件的 JA 就相当容易 系统内实际电源的热性能难以预计 许多热源在竞 争有限的散热通道 让我们从 MOSFET 的 JA 开始 对于单芯片 SO 8MOSFET 封装 JA 通常在 62 C W 附近 对于其他封装 带有散热栅格或暴露的散热条 JA 可能在 40 C W 和 50 C W 之间 参见表 计算多高的环境温度将引起裸片达到假设 的 TJ HOT TAMBIENT TJ HOT TJ RISE 如果计算的 TAMBIENT 比封装最大标称环境温度低 意味着封装的最大标称环境 温度将导致超过假设的 MOSFETTJ HOT 就要采取以下一种或所有措施 提高假设的 TJ HOT HOT 但不要超过数据参数页给出的最大值 通过选择更合 适的 MOSFET 降低 MOSFET 功率耗散 或者 通过加大空气流动或 MOSFET 周围 的铜散热片面积降低 JA 然后重新计算 采用电子数据表以简化确定可接受的设计所要求的典型的多重 叠代 另一方面 如果计算的比封装最大标称环境温度高得多 就要采取以下一种或 所有措施 降低假设的 TJ HOT 减少用于 MOSFET 功率耗散的铜散热片面积 或者 采用不 那么昂贵的 MOSFET 这些步骤是可选的 因为本案例中 MOSFET 不会由于超过设定温度而损坏 然而 在 TAMBIENT 比封装的最大温度高时 这些步骤可以减小板面积和成本 该过程中最大的不准确性来源于 JA 仔细研读 JA 规格参数相关的数据页 说明 典型的规格说明假设器件安装于 1 平方英寸的 2 盎司铜片 铜片承担了 大部分的散热 而铜片的大小对 JA 有显著影响 例如 采用 1 平方英寸的铜片 D Pak 的 JAD Pak 可能是 50 C W 但如果铜 片就设在封装引脚下 JA 值将会加倍 参见表 采用多个并联 MOSFET JA 主要依赖于它所安装的铜片面积 两个元器件的等效 JA 可能是只有一个元器 件时的一半 除非铜片的面积加倍 就是说 增加并联 MOSFET 而不同时增加铜 片面积 将使 RDS ON 减半 但对 JA 的改变小得多 最后 JA 的规格参数假设铜片散热面积不需考虑其他元器件的散热 在高电 流时 在功率路径上的每个元件 甚至是 PC 板上的铜材料都会产生热量 为避 免对的 MOSFET 过度加热 需要仔细计估算实际物理环境能达到的 JA 值 研究 所选择的 MOSFET 提供的热参数信息 检查是否有空间用于增加额外的铜片 散 热器和其他器件 确定增加空气流动是否可行 看看在假设的散热通道有没有其 他明显的热源 并要估算一下附近元件和空间的加热或冷却作用 设计实例 图 3 所示 CPU 内核电源在 40A 提供 1 3V 两个同样的 20A 电源在 300kHz 运行 提供 40A 输出电源 MAX1718 主控制器驱动一个 而 MAX1897 从控制器驱动另 一个 该电源输入范围在 8 20V 之间 指定封装的最高工组作环境温度 60 C 同步整流器包括两个并联的 IRF7822MOSFET 在室温条件下组合的最大 RDS ON 为 3 25m 而假设 TJ HOT 为 115 C 时约为 4 7m 最大负载系数 94 20A 负载电流和 4 7m 最大 RDS ON 并联 MOSFET 的耗散约为 1 8W 提供 2 平方 英寸的铜片以进行散热 总 JA 约为 31 C W 组合 MOSFET 的温度上升约为 55 C 所以此设计将在 60 左右的环境温度工作 在室温下组合的最大 RDS ON 为 6m 在 115 C 假设的 TJ HOT 为 8 7m 的 两个并联 IRF7811WMOSFET 组成开关 MOSFET 组合 CRSS 为 240pF MAX1718 以 及 MAX1897 的 1 栅极驱动输出约为 2A 当 VIN 8V 时 电阻损耗为 0 57W 而开关损耗约为 0 05W 在 20V 时 电阻损耗为 0 23W 而开关损耗约为 0 29W 在每个操作点的总损耗大体平衡 而在最小 VIN 处的最坏情况下 等于 0 61W 由于功率耗散水平不高 我们可以在这对 MOSFET 下面提供了 0 5 平方英寸的铜 片 达到约 55 C W 的总 JA 这样以 35 C 的升温 可以支持达