中心議題：

• 計算MOSFET的耗散功率
• 同步整流器的功耗
• 開關MOSFET的功耗

解決方案：

• 研究選定MOSFET現有的熱性能方麵的信息
• 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

也許
，今天的便攜式電源設計者所麵臨的最嚴峻挑戰就是為當今的高性能CPU提供電源。CPU的電源電流最近每兩年就翻一番。事實上，今天的便攜式核電源電流需求會高達60A或更多
，電壓介於0.9V和1.75V之間。但是，盡管電流需求在穩步增長，留給電源的空間卻並沒有增加—這個現實已達到了熱設計的極限甚至超出。

如此高電流的電源通常被分為兩相或多相
，每一相提供15A到30A。這種方式使元件的選擇更容易。例如，一個60A電源變成了兩個30A電源。但是，這種方法沒有額外增加板上空間
，對於熱設計方麵的挑戰基本上沒有多大幫助。

在設計大電流電源時，MOSFET是最難確定的元件。這一點在筆記本電腦中尤其顯著
，這樣的環境中，散熱器、風扇、熱管和其它散熱手段通常都留給了CPU。這樣，電源設計常常要麵臨狹小的空間
、靜jing止zhi的de氣qi流liu以yi及ji來lai自zi於yu附fu近jin其qi它ta元yuan件jian的de熱re量liang等deng不bu利li因yin素su的de挑tiao戰zhan。而er且qie，除chu了le電dian源yuan下xia麵mian少shao量liang的de印yin製zhi板ban銅tong膜mo外wai，沒mei有you任ren何he其qi它ta手shou段duan可ke以yi用yong來lai協xie助zhu耗hao散san功gong率lv。

在挑選MOSFET時shi，首shou先xian是shi要yao選xuan擇ze有you足zu夠gou的de電dian流liu處chu理li能neng力li，並bing具ju有you足zu夠gou的de散san熱re通tong道dao。最zui後hou還hai要yao量liang化hua地di考kao慮lv必bi要yao的de熱re耗hao和he保bao證zheng足zu夠gou的de散san熱re路lu徑jing。本ben文wen將jiang一yi步bu一yi步bu地di說shuo明ming如ru何he計ji算suan這zhe些xieMOSFET的功率耗散，並確定它們的工作溫度。然後，通過分析一個多相、同步整流、降壓型CPU核電源中某一個30A單相的設計實例，進一步闡明這些概念。

計算MOSFET的耗散功率

為了確定一個MOSFET是否適合於某特定應用，你必須計算一下其功率耗散
，它主要包含阻性和開關損耗兩部分

由於MOSFET的功率耗散很大程度上依賴於它的導通電阻(RDS(ON))
，計算RDS(ON)看上去是一個很好的出發點。但是MOSFET的RDS(ON)與它的結溫(TJ)有關。

話說回來
，TJ又依賴於MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(ΘJA)。這(zhe)樣(yang)，似(si)乎(hu)很(hen)難(nan)找(zhao)到(dao)一(yi)個(ge)著(zhe)眼(yan)點(dian)。由(you)於(yu)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)的(de)計(ji)算(suan)涉(she)及(ji)到(dao)若(ruo)幹(gan)個(ge)相(xiang)互(hu)依(yi)賴(lai)的(de)因(yin)素(su)
，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)一(yi)種(zhong)迭(die)代(dai)過(guo)程(cheng)獲(huo)得(de)我(wo)們(men)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)結(jie)果(guo)(圖1)。

                          
圖1.該流程圖展示了選擇各MOSFET(同步整流器和開關MOSFET)的迭代過程。在這個過程中
，各MOSFET的結溫為假設值，兩個MOSFET的功率耗散和允許環境溫度通過計算得出。當允許的環境溫度達到或略高於我們所期望的機箱內最高溫度時(機箱內安裝了電源及其所驅動的電路)，這個過程就結束了。[page]

迭代過程始於為每個MOSFET假定一個結溫，然後，計算每個MOSFET各(ge)自(zi)的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)和(he)允(yun)許(xu)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)。當(dang)允(yun)許(xu)的(de)環(huan)境(jing)氣(qi)溫(wen)達(da)到(dao)或(huo)略(lve)高(gao)於(yu)電(dian)源(yuan)及(ji)其(qi)所(suo)驅(qu)動(dong)的(de)電(dian)路(lu)所(suo)在(zai)的(de)機(ji)殼(ke)的(de)期(qi)望(wang)最(zui)高(gao)溫(wen)度(du)時(shi)，這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)便(bian)結(jie)束(shu)了(le)。

有些人總試圖使這個計算所得的環境溫度盡可能高
，但通常這並不是一個好主意。這樣作就要求采用更昂貴的MOSFET
，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—所有這些都不是我們所期望的。

從某種意義上講，先假定一個MOSFET結溫，然後再計算環境溫度
，這是一種逆向的考慮方法。畢竟環境溫度決定了MOSFET的結溫—而不是相反。不過
，從一個假定的結溫開始計算要比從環境溫度開始容易一些。

對於開關MOSFET和同步整流器，我們可以選擇一個最大允許的管芯結溫(TJ(HOT))作為迭代過程的出發點。多數MOSFET的數據資料隻規定了+25°C下的最大RDS(ON)，不過最近有些MOSFET文檔也給出了+125°C下的最大值。MOSFET的RDS(ON)隨著溫度而增加，典型溫度係數在0.35%/°C至0.5%/°C之間(圖2)。
                                      
                 圖2.典型功率MOSFET的導通電阻的溫度係數在0.35%每度(綠線)至0.5%每度(紅線)之間

如果拿不準，可以用一個較差的溫度係數和MOSFET的+25°C規格(或+125°C規格
，如果有的話)近似估算在選定的TJ(HOT)下的最大RDS(ON)：
              
其中，RDS(ON)SPEC是計算所用的MOSFET導通電阻
，TSPEC是規定RDS(ON)SPEC時的溫度。利用計算出的RDS(ON)HOT，可以確定同步整流器和開關MOSFET的功率消耗
，具體做法如下所述。

在下麵的章節中，我們將討論如何計算各個MOSFET在給定的管芯溫度下的功率消耗，以及完成迭代過程的後續步驟(整個過程詳述於圖1)。

同步整流器的功耗

除最輕負載以外，各種情況下同步整流器MOSFET的漏-yuandianyazaidakaiheguanbiguochengzhongdouhuibeixuliuerjiguanqianwei。yinci，tongbuzhengliuqijihumeiyoukaiguansunhao，tadegonglvxiaohaohenrongyijisuan。zhixuyaokaolvzuxingsunhaojike。


最壞情況下的損耗發生在同步整流器工作在最大占空比時，也就是當輸入電壓達到最大時。利用同步整流器的RDS(ON)HOT和工作占空比，通過歐姆定律，我們可以近似計算出它的功率消耗：



開關MOSFET的(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)計(ji)算(suan)起(qi)來(lai)比(bi)較(jiao)困(kun)難(nan)，因(yin)為(wei)它(ta)依(yi)賴(lai)於(yu)許(xu)多(duo)難(nan)以(yi)量(liang)化(hua)並(bing)且(qie)通(tong)常(chang)沒(mei)有(you)規(gui)格(ge)的(de)因(yin)素(su)，這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)同(tong)時(shi)影(ying)響(xiang)到(dao)打(da)開(kai)和(he)關(guan)閉(bi)過(guo)程(cheng)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)首(shou)先(xian)用(yong)以(yi)下(xia)粗(cu)略(lve)的(de)近(jin)似(si)公(gong)式(shi)對(dui)某(mou)個(ge)MOSFET進行評價，然後通過實驗對其性能進行驗證：


其中CRSS是MOSFET的反向傳輸電容(數據資料中的一個參數)，fSW為開關頻率
，IGATE是MOSFET的柵極驅動器在MOSFET處於臨界導通(VGS位於柵極充電曲線的平坦區域)時的吸收/源出電流。

一旦基於成本因素將選擇範圍縮小到了特定的某一代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能夠使功率耗散最小的器件。

這個器件應該具有均衡的阻性和開關損耗。使用更小(更快)的MOSFET所增加的阻性損耗將超過它在開關損耗方麵的降低，而更大(RDS(ON)更低)的器件所增加的開關損耗將超過它對於阻性損耗的降低。

如果VIN是變化的，需要在VIN(MAX)和VIN(MIN)下分別計算開關MOSFET的功率耗散。MOSFET功率耗散的最壞情況可能會出現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)時達到最高的阻性耗散(占空比較高)
，以及在VIN(MAX)時達到最高的開關損耗(由於VIN²項的緣故)。一個好的選擇應該在VIN的兩種極端情況下具有大致相同的耗散，並且在整個VIN範圍內保持均衡的阻性和開關損耗。

如果損耗在VIN(MIN)時明顯高出，則阻性損耗起主導作用。這種情況下，可以考慮用一個更大一點的開關MOSFET(或將一個以上的多個管子相並聯)以降低RDS(ON)。但如果在VIN(MAX)時損耗顯著高出
，則應該考慮降低開關MOSFET的尺寸(如果是多管並聯的話，或者去掉一個MOSFET)，以便使其開關速度更快一點。

如果阻性和開關損耗已達平衡，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
，重新定義輸入電壓範圍。

• 改變開關頻率以便降低開關損耗，有可能使用更大一點的、RDS(ON)更低的開關MOSFET。

• 增加柵極驅動電流，有可能降低開關損耗。MOSFET自身的內部柵極電阻最終限製了柵極驅動電流
，實際上限製了這種方  法的有效性。

• 采用一個改進技術的MOSFET
，以便同時獲得更快的開關速度、更低的RDS(ON)和更低的柵極電阻。

脫離某個給定的條件對MOSFET的尺寸作更精細的調整是不大可能的，因為器件的選擇範圍是有限的。選擇的底線是MOSFET在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。
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熱阻

下一步是要計算每個MOSFET周圍的環境溫度
，在這個溫度下，MOSFET結溫將達到我們的假定值(按照前麵圖1所示的迭代過程
，確定合適的MOSFET來作為同步整流器和開關MOSFET)。為此，首先需要確定每個MOSFET結到環境的熱阻(ΘJA)。

熱阻的估算可能會比較困難。單一器件在一個簡單PCB上的ΘJA測算相對容易一些
，而要在一個係統內去預測實際電源的熱性能是很困難的
，那裏有許多熱源在爭奪有限的散熱通道。如果有多個MOSFET被並聯使用，其整體熱阻的計算方法，和計算兩個以上並聯電阻的等效電阻一樣。

我們可以從MOSFET的ΘJA規格開始。對於單一管芯
、8引腳封裝的MOSFET來講，ΘJA通常接近於62°C/W。其他類型的封裝，有些帶有散熱片或裸露的導熱片，其熱阻一般會在40°C/W至50°C/W(表1)。
                               
注：同樣封裝類型的不同器件，以及不同製造商出品的相似封裝的熱阻各不相同，和封裝的機械特性
、管芯尺寸和安裝及綁定方法有關。需仔細考慮MOSFET數據資料中的熱信息。

可以用下麵的公式計算MOSFET的管芯相對於環境的溫升：


如果計算出的TAMBIENT低於機殼的最大額定環境溫度(意味著機殼的最大額定環境溫度將導致MOSFET的預定TJ(HOT)被突破)，必須采用下列一條或更多措施：

• 升高預定的TJ(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MOSFET的功耗。

• 通過增加氣流或MOSFET周圍的銅膜降低ΘJA。

重算TAMBIENT(采用速算表可以簡化計算過程，經過多次反複方可選出一個可接受的設計)。另一方麵，如果計算出的TAMBIENT高出機殼的最大額定環境溫度很多，可以采取下述可選步驟中的任何一條或全部：

• 降低預定的TJ(HOT)。

• 減小專用於MOSFET散熱的覆銅麵積。

• 采用更廉價的MOSFET。

最後幾個步驟是可選的

，在此情況下MOSFET不會因過熱而損壞。不過
，通過這些步驟，隻要保證TAMBIENT高出機殼最高溫度一定裕量，我們可以降低線路板麵積和成本。

上述計算過程中最大的誤差源來自於ΘJA。你應該仔細閱讀數據資料中有關ΘJA規格的所有注釋。一般規範都假定器件安裝在1in²的2oz銅膜上。銅膜耗散了大部分的功率

，不同數量的銅膜ΘJA差別很大。

例如，帶有1in²銅膜的D-Pak封裝ΘJA會達到50°C/W。如果隻將銅膜鋪設在引腳的下麵，ΘJA將高出兩倍(表1)。

如果將多個MOSFET並聯使用，ΘJA主要取決於它們所安裝的銅膜麵積。兩個器件的等效ΘJA可以是單個器件的一半，但必須同時加倍銅膜麵積。也就是說，增加一個並聯的MOSFET而不增加銅膜的話，可以使RDS(ON)減半但不會改變ΘJA很多。

最後，ΘJA規範通常都假定沒有任何其它器件向銅膜的散熱區傳遞熱量。但在高電流情況下，功率通路上的每個元件
，甚至是PCB引線都會產生熱量。為了避免MOSFET過熱，需仔細估算實際情況下的ΘJA，並采取下列措施：

• 仔細研究選定MOSFET現有的熱性能方麵的信息。

• 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。

設計實例

圖3所示的CPU核電源提供1.5V/60A輸出。兩個300kHz的相同的30A功率級總共提供60A輸出電流。MAX1544IC驅動兩級電路，采用180°錯相工作方式。該電源的輸入範圍7V至24V，機殼的最大額定環境溫度為+60°C。
                           
圖3.該降壓型開關調節器中的MOSFET經由本文所述的迭代過程選出。板級設計者通常采用該類型的開關調節器驅動今天的高性能CPU。

同步整流器由兩片並聯的IRF6603MOSFET組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為2.75mΩ，在+125°C(預定的TJ(HOT))下近似為4.13mΩ。在最大占空比94%，30A負載電流，以及4.13mΩ最大RDS(ON)時，這些並聯MOSFET的功耗大約為3.5W。

提供2in²銅膜來耗散這些功率，總體ΘJA大約為18°C/W，該熱阻值取自MOSFET的數據資料。組合MOSFET的溫升將接近於+63°C
，因此該設計應該能夠工作在最高+60°C的環境溫度下。

開關MOSFET由兩隻IRF6604MOSFET並聯組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為6.5mΩ，在+125°C(預定的TJ(HOT))下近似為9.75mΩ。組合後的CRSS為380pF。MAX1544的1Ω高邊柵極驅動器可提供將近1.6A的驅動。

VIN=7V時，阻性損耗為1.63W，而開關損耗近似為0.105W。輸入為VIN=24V時，阻性損耗為0.475W而開關損耗近似為1.23W。總損耗在各輸入工作點大致相等，最壞情況(最低VIN)下的總損耗為1.74W。

28°C/W的ΘJA將產生+46°C的溫升，允許工作於最高+80°C的環境溫度。若環境溫度高於封裝的最大規定溫度，設計人員應考慮減小用於MOSFET的覆銅麵積，盡管該步驟不是必須的。

本例中的覆銅麵積單獨考慮了MOSFET的(de)需(xu)求(qiu)。如(ru)果(guo)還(hai)有(you)其(qi)它(ta)器(qi)件(jian)向(xiang)這(zhe)個(ge)區(qu)域(yu)散(san)熱(re)的(de)話(hua)，可(ke)能(neng)還(hai)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)覆(fu)銅(tong)麵(mian)積(ji)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)空(kong)間(jian)增(zeng)加(jia)覆(fu)銅(tong)，則(ze)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)總(zong)功(gong)耗(hao)，傳(chuan)遞(di)熱(re)量(liang)到(dao)低(di)耗(hao)散(san)區(qu)，或(huo)者(zhe)采(cai)用(yong)主(zhu)動(dong)的(de)辦(ban)法(fa)將(jiang)熱(re)量(liang)移(yi)走(zou)。

熱re管guan理li是shi大da功gong率lv便bian攜xie式shi設she計ji中zhong難nan度du較jiao大da的de領ling域yu之zhi一yi。這zhe種zhong難nan度du迫po使shi我wo們men有you必bi要yao采cai用yong上shang述shu迭die代dai過guo程cheng。盡jin管guan該gai過guo程cheng能neng夠gou引yin領ling板ban級ji設she計ji者zhe靠kao近jin最zui終zhong設she計ji，但dan是shi還hai必bi須xu通tong過guo實shi驗yan來lai最zui終zhong確que定ding設she計ji流liu程cheng是shi否fou足zu夠gou精jing確que。計ji算suanMOSFET的熱性能
，為它們提供足夠的耗散途徑
，然後在實驗室中檢驗這些計算，這樣有助於獲得一個健壯的熱設計。