MOS管功耗计算

1、确定其数值时需0七 Tfi惟 HawehEEM4 ' dr 计算功率耗散 要确定一个MOSFET场效应管是否适丁某一特定应用，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由丁 MOSFET功率耗散很大程度上取决丁其导通电阻(RDS(ON),计算RDS(ON) 看似是一个很好的着手之处。但 MOSFET导通电阻取决丁结温TJ。返过来，TJ 乂取决丁 MOSFET的功率放大器耗散和 MOSFET热阻(0 JA)。这样，彳艮难确定 空间从何处着手。由丁在功率耗散计算中的几个条件相互依赖， 要迭代过程(图

2、1)这一过程从首先假设各MOSFE的结温开始，同样的过程对丁每个MOSFET 独进行。MOSFE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丁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 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 始更易丁实现。对丁开关MOSFET同步整流器两者，都

3、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MOSFE数据参数贞只给出25° C的最大 RDS(ON)，但近来有一些也提供了 125° C的最大值。MOSFETRDS(O®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 MOSFE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(HO在处的最大RDS(ON) RDS(ON)HOT=RDS(ON)SRC+0.005 X (TJ(HOT)?

4、TSPEC)其中，RDS(ON)SPEC用于计算的MOSFE在通电阻，而TSPEg得至U RDS(ON)SPEC 的温度。如下描述，用计算得到的RDS(ON)HOT定MOSFET同步整流器的功率 耗散。讨论计算各MOSFET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。TYPICAL THERMAL RESISTANCEOF MOSFET PACKAGESPackage侦(C/W) minimum footprint自岫c/w)copper*( * WSOT-23(thermally enhanced)2?g20075SOT-S91607035SO食31104515

5、MAX-8/M 低 ro8 (thermally enhanced1607035TSSOP-820010045SO-8 (thermalty (enhanced12562.525D-PAK110503D2-PAK70402Note: Thermal re$治拍nc3S vary between rndividucil devices in the wms package type and betwwn similar packages fromdifferent mantifrbcturiers. depending onrnechaniceil charticteriatica_die si

6、ze, and mounting and 双出t营t姬艰做峪遇I班曜奇妙壑 thermal information in the醐椰翻11 毫 A 瓦魂鼠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=ILORDS(ON)HOT 1

7、> -(VOUTZVIN(MAX)开关MOSFET耗散开关MOSFET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)HOTPDRESISTIVE=ILOAD2 RDS(ON)HOT (VOUTZVIN)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第一步，并在以后在实验室内对其性能进行验证： PDSWITCHING=(CRSVIN2X fSW< ILOAD)ZIGATE其中CRS物MOSFE的反向转换 电容(一个性能参数)，fS

8、W为开关频率，而IGATE 为MOSFE的启动阈值处(栅极充电曲线平直部分的 VGS*勺MOSFET极驱动的吸 收电流和的源极电流。一旦根据成本(MOSFETO成本是它所届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)氐)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派日VIN(MIN)处的开关MOSFET功 率耗散。MOSFET坏情况下功率耗散将出

9、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MOSFEM并联多个以达到较低的RDS(。侦。但如果在VIN(MAX) 处的耗散明显较高，则可以考虑减小开关MOSFE的尺寸(如果采用多个器件，或 者可以去掉MOSFETM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

10、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(。侦的开关MOSFET成为可能；增大栅极驱动 电流，降低开关损耗。MOSFET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(。侦和更低的 栅极电阻的改进的MOSFET术。由于元器件选择数量范围所限，超出某一特定点对 MOSFET寸进行精确调整也 许不太可能，其底线在于MOSFE在最坏情况下的功率必须得以耗散。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 MOSFE在MOSFET 迭代过程的下一个步骤。这一步骤计算每个 M

11、OSFE在环境空气温度，它可能导 致达到假设的MOSFE在温。为此，首先要确定每个MOSFE在结与环境间的热阻 (0 JA)。如果多个MOSFE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6)JA就相当容易，系统内实际 电源的热性能难以预计，许多热源在党 争有限的散热通道。让我们从MOSFE的0 JA开始。对于单芯片SO-8MOSFET装,6) 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®50° C

12、/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匕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贞给出的最大值；通过选择更合 适的MOSFET降低MOSFE在率耗散；或者，通过加大空气流动或 MOSFE在围的 铜散热片面积降低6) JA。1.62. T/pical powGr MOSFET ort-t白压si自的栏白拍mpa缶lu任匚。白布白自巾搭f&n&#

13、167;E h ' u.=一 t - C（WMk El旭）10 0.5%TC （red lino）.C辱cfdl）争COE 史 3 家统崖r*!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);减少用丁 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会由丁超过设定温度而损坏。然而， 在TAMBIENTt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丁 6) J

14、A。仔细研读6) JA规格参数相关的数据贞说 明。典型的规格说明假设器件安装丁 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 0 JA有显著影响。例如，采用1平方英寸的铜片，D-Pak的0 JAD-Pak可能是50° C/W但如果铜 片就设在封装引脚下，6) JA值将会加倍(参见表)。采用多个并联MOSFET 6) JA 主要依赖丁它所安装的铜片面积。两个元器件的等效6)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不同时增加铜片面积，将使RDS(ON®半，但对6) JA的改变小得多。最后，6) JA的规格参数假设铜片

15、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度加热，需要仔细计估算实际物理环境能达到的6) JA值;研究所选择的MOSFET供的热参数信息；检查是否有空间用丁增加额外的铜片、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CPlrt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。MAX171陇控制器驱动一个，而 MAX1897A控制器驱动另一 个。该电源输入范围

16、在820V之间，指定封装的最高工组作环境温度 60° G同步整流器包括两个并联的IR F7822MOSFE室温条件下组合的最大 RDS(ON) 为3.25mQ，而假设TJ(HOT)为115° C时约为4.7mQ。最大负载系数94% 20A 负载电流和4.7mQ最大RDS(ON)并联MOSFET耗散约为1.8W。提供2平方英 寸的铜片以进行散热，总6) JA约为310 C/W组合MOSFE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6搐，在115° C(假设的TJ(HOT)为8.7mQ的

17、两个并联 IRF7811WMOSFg开关 MOSFET组合 CRS物 240pF。MAX171&Z及 MAX1897勺1Q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0.05WA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0.61WA由于功率耗散水平不高，我们可以在这对 MOSFET面提供了 0.5平方英寸的铜 片，达到约55° C/W的总0JA。这样以35° C的升温，可以支持达80° C的环 境温度。本实例的铜散热片仅要求对 MOSFET供。如果有其它器件散热，也许要求铜散 热片面积更大。如果空间不允许增加额外的铜散热片，可以减小总功率耗散，将 热量扩散到散热量较低的地方，或采用其他方法散热。热能管理是大功率便携设计中最困难的方面之一，它使上述的迭代过程成为必需。虽然这一过程使板设计者已经接近于最终设计，但还是必须通过实验室工作 最终确定设计过程是否准确。在实验室中计算 MOSFET热能特性、确何其散热 通道并检查计算结果，有助于确保可靠的热设计。D001o2(Ba4«l1Hlnuiplr:临啊 IlhJ.&am