大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計算

0 引言

眾所周知，今天的便攜式電源設計者所面臨的最嚴峻挑戰就是為當今的高性能CPU提供電源。近年來，內核CPU所需的電源電流每兩年就翻一番，即便攜式內核CPU電源電流需求會高達40A之大，而電壓在0.9V和1.75V之間。事實上，盡管電流需求在穩步增長，而留給電源的空間卻并沒有增加，這個現實已達到甚至超出了在熱設計方面的極限。

對于如此大電流的電源，通常將其分割為兩個或多相，即每一相提供15A到25A，例如，將一個40A電源變成了兩個20A電源。雖然可以使元器件的選擇更容易，但是并沒有額外增加板上或環境空間，對于減輕熱設計的工作基本上沒有多大幫助。這是因為在設計大電流電源時，MOSFET是最難確定的器件。這一點在筆記本電腦中尤其顯著，在這種環境中，散熱器、風扇、熱管和其它散熱方式通常都留給了CPU。而電源設計常常要面臨諸多不利因素,諸如狹小的空間和靜止的氣流以及其元器件散發的熱量等惡劣環境，而且，沒有任何其它方式可以用來協助散熱。

那么如何挑選MOSFET呢？回答是，在挑選MOSFET時，首先要選擇有足夠的電流處理能力的，并具有足夠的散熱通道的，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，據此，計算出MOSFET的功耗，并確定它們的工作溫度。本文分析了一個多相、同步整流、降壓型CPU電源中MOSFET功耗的計算方法。

1 MOSFET功耗的計算

為了確定一個MOSFET是否適合于特定的應用，必須計算其功耗，MOSFET功耗（P_L）主要包含阻性損耗（P_R）和開關損耗（P_S）兩部分，即

P_L=P_R＋P_S

MOSFET的功耗很大程度上依賴于它的導通電阻R_DS(on)，但是，MOSFET的R_DS(on)與它的結溫T_j有關。而T_j又依賴于MOSFET管的功耗以及MOSFET的熱阻θ_JA。由于功耗的計算涉及到若干個相互依賴的因素，為此，可以采用一種迭代過程獲得我們所需要的結果，如圖1流程所示。

圖1 選擇同步整流和開關MOSFET的迭代過程流程

迭代過程起始于為每個MOSFET假定一個T_j，然后，計算每個MOSFET各自的功耗和允許的環境溫度。當允許的環境溫度達到或略高于機殼內最高溫度設計值時，這個過程便結束了。這是一種逆向的設計方法，因為，先從一個假定的T_j開始計算，要比先從環境溫度計算開始容易一些。

能否將這個計算所得的環境溫度盡可能地提高呢？回答是不行的。因為，這勢必要求采用更昂貴的MOSFET，并在MOSFET下鋪設更多的銅膜，或者要求采用一個更大、更快速的風扇產生氣流等，所有這些都是不切實際的。

對于開關和同步整流MOSFET，可以選擇一個允許的最高管芯結溫T_j(hot)作為迭代過程的出發點，多數MOSFET的數據手冊只規定了＋25℃下的最大R_DS(on)，不過最近有些產品也提供了＋125℃下的最大值。MOSFET的R_DS(on)隨著溫度的增高而增加，典型溫度系數在0.35％／℃～0.5％／℃之間，如圖2所示。如果拿不準，可以用一個較為保守的溫度系數和MOSFET的＋25℃規格(或＋125℃規格)，在選定的T_j(hot)下以最大R_DS(on)作近似估算，即

R_DS(on)hot=R_DS(on)SPEC{1＋0.005×〔T_j(hot)－T_SPEC〕}（1）

式中：R_DS(on)SPEC為計算所用的MOSFET導通電阻；

T_SPEC為規定R_DS(on)SPEC時的溫度。

圖2 典型功率MOSFET導通電阻的溫度系數

〔在0.35％/℃（實線）至0.5％/℃虛線之間〕

利用計算出的R_DS(on)hot可以確定同步整流和開關MOSFET的功耗。為此，將進一步討論如何計算各個MOSFET在給定的管芯溫度下的功耗，以及完成迭代過程的后續步驟，其整個過程詳述如圖1所示。