大電流便攜式DC/DC變換中MOSFET功耗的計算
0 引言
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/179365.htm眾所周知,今天的便攜式電源設計者所面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)就是為當今的高性能CPU提供電源。近年來,內(nèi)核CPU所需的電源電流每兩年就翻一番,即便攜式內(nèi)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(wěn)步增長,而留給電源的空間卻并沒有增加,這個現(xiàn)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(huán)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(huán)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(fā)的熱量等惡劣環(huán)境,而且,沒有任何其它方式可以用來協(xié)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(jù)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。
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(PL)主要包含阻性損耗(PR)和開關損耗(PS)兩部分,即
PL=PR+PS
MOSFET的功耗很大程度上依賴于它的導通電阻RDS(on),但是,MOSFET的RDS(on)與它的結溫Tj有關。而Tj又依賴于MOSFET管的功耗以及MOSFET的熱阻θJA。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Tj,然后,計算每個MOSFET各自的功耗和允許的環(huán)境溫度。當允許的環(huán)境溫度達到或略高于機殼內(nèi)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Tj開始計算,要比先從環(huán)境溫度計算開始容易一些。
能否將這個計算所得的環(huán)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(chǎn)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Tj(hot)作為迭代過程的出發(fā)點,多數(shù)MOSFET的數(shù)據(jù)手冊只規(guī)定了+25℃下的最大RDS(on),不過最近有些產(chǎn)品也提供了+125℃下的最大值。MOSFET的RDS(on)隨著溫度的增高而增加,典型溫度系數(shù)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(shù)和MOSFET的+25℃規(guī)格(或+125℃規(guī)格),在選定的Tj(hot)下以最大RDS(on)作近似估算,即
RDS(on)hot=RDS(on)SPEC{1+0.005×〔Tj(hot)-TSPEC〕}(1)
式中:RDS(on)SPEC為計算所用的MOSFET導通電阻;
TSPEC為規(guī)定RDS(on)SPEC時的溫度。
圖2 典型功率MOSFET導通電阻的溫度系數(shù)
〔在0.35%/℃(實線)至0.5%/℃虛線之間〕
利用計算出的RDS(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(xù)步驟,其整個過程詳述如圖1所示。
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