大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計算

熱阻的估算可能會比較困難。單一器件在一個簡單的印刷板上的θ_JA的測算相對容易一些，而要在一個系統內去預測實際電源的熱性能是很困難的，因為，那里有許多熱源在爭奪有限的散熱通道。如果有多個MOSFET被并聯使用，其整體熱阻的計算方法，和計算兩個以上并聯電阻的等效電阻一樣。

我們可以從MOSFET的θ_JA規格開始。對于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來講，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熱片，其熱阻一般會在40℃／W至50℃／W(見表1所列)。可以用下面的公式計算MOSFET的管芯相對于環境的溫升T_j(rise)，即

T_j(rise)=P_L×θ_JA（5）

接下來，計算導致管芯達到預定T_j(hot)時的環境溫度T_ambient， 即

表1 MOSFET封裝的典型熱阻

T_ambient=T_j(hot)－T_j(rise)（6）

如果計算出的θ_JA低于機殼的最大額定環境溫度，必須采用下列一條或多條措施：

——升高預定的T_j(hot)，但不要超出數據手冊規定的最大值；

——選擇更合適的MOSFET以降低其功耗；

——通過增加氣流或MOSFET周圍的銅膜降低θ_JA。

再重算T_ambient(采用速算表可以簡化計算過程，經過多次反復方可選出一個可接受的設計)。而表1為MOSFET封裝的典型熱阻。

如果計算出的T_ambient高出機殼的最大額定環境溫度很多，可以采取下列一條或全部措施：

——降低預定的T_j(hot)；

——減小專用于MOSFET散熱的銅膜面積；

——采用更廉價的MOSFET。

這些步驟是可選的，因為在此情況下MOSFET不會因過熱而損壞。不過，通過這些步驟只要保證T_ambient高出機殼最高溫度一定裕量，便可以降低線路板面積和成本。

上述計算過程中最大的誤差源來自于θ _JA。應該仔細閱讀數據手冊中有關θJA規格的所有注釋。一般規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會達到50℃／W。但是如果只將銅膜鋪設在引腳的下面，θ_JA將高出兩倍(見表1)。如果將多個MOSFET并聯使用，θ _JA主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個器件的等效θ _JA可以是單個器件的一半，但必須同時加倍銅膜面積。也就是說，增加一個并聯的MOSFET而不增加銅膜的話，可以使R_DS(on)減半但不會改變θ _JA很多。最后，θ _JA規范通常都假定沒有任何其它器件向銅膜的散熱區傳遞熱量。但在大電流情況下，功率通路上的每個元器件，甚至是印刷板線條都會產生熱量。為了避免MOSFET過熱，須仔細估算實際情況下的θ _JA，并采取下列措施：

——仔細研究選定MOSFET現有的熱性能方面的信息；

——考察是否有足夠的空間，以便設置更多的銅膜、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；

——估計一下來自周圍元件或空間的過剩熱量或冷量。

3 結語

熱管理是大電流便攜式DC/DC設計中難度較大的領域之一。這種難度迫使我們有必要采用上述迭代流程。盡管該過程能夠引領熱性能設計者靠近最佳設計，但是還必須通過實驗來最終確定設計流程是否足夠精確。應計算MOSFET的熱性能，為它們提供足夠的耗散途徑，然后在實驗室中檢驗這些計算，這樣有助于獲得一個耐用而安全的熱設計。