大电流便携式DC/DC变换中MOSFET功耗的计算

0 引言

众所周知，今天的便携式电源设计者所面临的最严峻挑战就是为当今的高性能CPU提供电源。近年来，内核CPU所需的电源电流每两年就翻一番，即便携式内核CPU电源电流需求会高达40A之大，而电压在0.9V和1.75V之间。事实上，尽管电流需求在稳步增长，而留给电源的空间却并没有增加，这个现实已达到甚至超出了在热设计方面的极限。

对于如此大电流的电源，通常将其分割为两个或多相，即每一相提供15A到25A，例如，将一个40A电源变成了两个20A电源。虽然可以使元器件的选择更容易，但是并没有额外增加板上或环境空间，对于减轻热设计的工作基本上没有多大帮助。这是因为在设计大电流电源时，MOSFET是最难确定的器件。这一点在笔记本电脑中尤其显著，在这种环境中，散热器、风扇、热管和其它散热方式通常都留给了CPU。而电源设计常常要面临诸多不利因素,诸如狭小的空间和静止的气流以及其元器件散发的热量等恶劣环境，而且，没有任何其它方式可以用来协助散热。

那么如何挑选MOSFET呢？回答是，在挑选MOSFET时，首先要选择有足够的电流处理能力的，并具有足够的散热通道的，最后还要从量化上考虑必要的热耗和保证足够的散热路径，据此，计算出MOSFET的功耗，并确定它们的工作温度。本文分析了一个多相、同步整流、降压型CPU电源中MOSFET功耗的计算方法。

1 MOSFET功耗的计算

为了确定一个MOSFET是否适合于特定的应用，必须计算其功耗，MOSFET功耗（P_L）主要包含阻性损耗（P_R）和开关损耗（P_S）两部分，即

P_L=P_R＋P_S

MOSFET的功耗很大程度上依赖于它的导通电阻R_DS(on)，但是，MOSFET的R_DS(on)与它的结温T_j有关。而T_j又依赖于MOSFET管的功耗以及MOSFET的热阻θ_JA。由于功耗的计算涉及到若干个相互依赖的因素，为此，可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果，如图1流程所示。

图1 选择同步整流和开关MOSFET的迭代过程流程

迭代过程起始于为每个MOSFET假定一个T_j，然后，计算每个MOSFET各自的功耗和允许的环境温度。当允许的环境温度达到或略高于机壳内最高温度设计值时，这个过程便结束了。这是一种逆向的设计方法，因为，先从一个假定的T_j开始计算，要比先从环境温度计算开始容易一些。

能否将这个计算所得的环境温度尽可能地提高呢？回答是不行的。因为，这势必要求采用更昂贵的MOSFET，并在MOSFET下铺设更多的铜膜，或者要求采用一个更大、更快速的风扇产生气流等，所有这些都是不切实际的。

对于开关和同步整流MOSFET，可以选择一个允许的最高管芯结温T_j(hot)作为迭代过程的出发点，多数MOSFET的数据手册只规定了＋25℃下的最大R_DS(on)，不过最近有些产品也提供了＋125℃下的最大值。MOSFET的R_DS(on)随着温度的增高而增加，典型温度系数在0.35％／℃～0.5％／℃之间，如图2所示。如果拿不准，可以用一个较为保守的温度系数和MOSFET的＋25℃规格(或＋125℃规格)，在选定的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为计算所用的MOSFET导通电阻；

T_SPEC为规定R_DS(on)SPEC时的温度。

图2 典型功率MOSFET导通电阻的温度系数

〔在0.35％/℃（实线）至0.5％/℃虚线之间〕

利用计算出的R_DS(on)hot可以确定同步整流和开关MOSFET的功耗。为此，将进一步讨论如何计算各个MOSFET在给定的管芯温度下的功耗，以及完成迭代过程的后续步骤，其整个过程详述如图1所示。

1.1 同步整流的功耗

除最轻负载外，同步整流MOSFET的漏、源电压在开通和关闭过程中都会被续流二极管钳位。因此，同步整流几乎没有开关损耗，它的功耗PL只须考虑阻性损耗即可。最坏情况下的损耗发生在同步整流工作在最大占空比时，也就是输入电压达到最低时。利用同步整流的R_DS(on)和工作占空比，通过欧姆定律可以近似计算出它的功耗，即

P_L=〔×R_DS(on)hot〕×（2）

1.2 开关MOSFET的功耗

开关MOSFET的阻性损耗P_R计算和同步整流非常相似，也要利用它的占空比(但不同于前者)和R_DS(on)hot，即

P_R=〔×R_DS(on)hot〕×（3）

开关MOSFET的开关损耗计算起来比较困难，因为它依赖于许多难以量化并且没有规范的因素，这些因素同时影响到开通和关断过程。为此，可以首先用以下粗略的近似公式对某个MOSFET进行评价，然后通过实验对其性能进行验证，即

P_S=（4）

式中：C_rss为MOSFET的反向传输电容(数据手册中的一个参数)；

f_s为开关频率；

I_gatb为MOSFET的栅极驱动器在MOSFET处于临界导通(V_gs位于栅极充电曲线的平坦区域)时的吸收／源出电流。