大电流便携式DC/DC变换中MOSFET功耗的计算

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了大电流便携式DC/DC中MOSFET的迭代流程和功耗计算。 关键词:便携式DC/DC;功率损耗;迭代流程;热阻;结温 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。 图1 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(PL)主要包含阻性损耗(PR)和开关损耗(PS)两部分,即PL=PR+PSMOSFET的功耗很大程度上依赖于它的导通电阻RDS(on),但是,MOSFET的RDS(on)与它的结温Tj有关。而Tj又依赖于MOSFET管的功耗以及MOSFET的热阻θJA。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。 迭代过程起始于为每个MOSFET假定一个Tj,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Tj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Tj(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RDS(on),不过最近有些产品也提供了+125℃下的最大值。MOSFET的RDS(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Tj(hot)下以最大RDS(on)作近似估算,即 式中:RDS(on)SPEC为计算所用的MOSFET导通电阻; TSPEC为规定RDS(on)SPEC时的温度。 利用计算出的RDS(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RDS(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 1.2 开关MOSFET的功耗 开关MOSFET的阻性损耗PR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RDS(on)hot,即 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 式中:Crss为MOSFET的反向传输电容(数据手册 中的一个参数); fs为开关频率; Igatb为MOSFET的栅极驱动器在MOSFET处于临界导通(Vgs位于栅极充电曲线的平坦区域)时的吸收/源出电流。 若从成本因素考虑,将选择范围缩小到特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差别很大),就可以在这一代的器件中找到一个能够使功率耗散最小的器件。这个器件应该具有均衡的阻性和开关损耗,使用更小、更快的器件所增加的阻性损耗将超过它在开关损耗方面的降低,而使用更大〔而RDS(on)更低〕的器件所增加的开关损耗将超过它对于阻性损耗的降低。 如果Vin是变化的,需要在Vin(max)和Vin(min)下分别计算开关MOSFET的功耗。最坏情况可能会出现在最低或最高输入电压下。该功耗是两种因素之和:在Vin(min)时达到最高的阻性耗散(占空比较高),以及在Vin(max)时达到最高的开关损耗。一个好的选择应该在Vin的两种极端情况下具有大致相同的功耗,并且在整个Vin范围内保持均衡的阻性和开关损耗。 如果损耗在Vin(min)时明显高出,则阻性损耗起主导作用。这种情况下,可以考虑用一个电流更大一点的MOSFET(或将一个以上的MOSFET相并联)以降低RDS(on)。但如果在Vin(max)时损耗显著高出,则应该考虑用电流小一点的MOSFET(如果是多管并联的话,或者去掉一个M0SFET),以便使其开关速度更快一点。如果阻性和开关损耗已达平衡,但总功耗仍然过高,也有多种办法可以解决: ——改变或重新定义输入电压范围; ——降低开关频率以减小开关损耗,或选用RDS(on)更低的MOSFET; ——增加栅极驱动电流,有可能降低开关损耗; ——采用一个技术改进的MOSFET,以便同时获得更快的开关速度、更低的RDS(on)和更低的栅极电阻。 需要指正的是,脱离某个给定的条件对MOSFET的尺寸作更精细的调整是不大可能的,因为器件的选择范围是有限的。选择的底线是MOSFET在最坏情况下的功耗必须能够被耗散掉。 2 关于热阻 按照图1所示,继续进行迭代过程的下一步,以便寻找合适的MOSFET来作为同步整流和开关MOSFET。这一步是要计算每个MOSFET周围的环境温度,在这个温度下,MOSFET结温将达到我们的假定值。为此,首先需要确定每个MOSFET结到环境的热阻θJA。 热阻的估算可能会比较困难。单一器件在一个简单的印刷板上的θJA的测算相对容易一些,而要在一个系统内去预测实际电源的热性能是很困难的,因为,那里有许多热源在争夺有限的散热通道。如果有多个MOSFET被并联使用,其整体热阻的计算方法,和计算两个以上并联电阻的等效电阻一样。 我们可以从MOSFET的θJA规格开始。对于单一管芯、8引脚封装的MOSFET来讲,θJA通常接近于62℃/W。其他类型的封装,有些带有散热片或暴露的导热片,其热阻一般会在40℃/W至50℃/W(见表1所列)。可以用下面的公式计算MOSFET的管芯相对于环境的温升Tj(rise),即 Tj(rise)=PL%26;#215;θJA (5) 接下来,计算导致管芯达到预定Tj(hot)时的环境温度Tambient,即 Tambient=Tj(hot)-Tj(rise) (6) 如果计算出的θJA低于机壳的最大额定环境温度,必须采用下列一条或多条措施: ——升高预定的Tj(hot),但不要超出数据手册规定的最大值; ——选择更合适的MOSFET以降低其功耗; ——通过增加气流或MOSFET周围的铜膜降低θJA。 再重算Tambient(采用速算表可以简化计算过程,经过多次反复方可选出一个可接受的设计)。而表1为MOSFET封装的典型热阻。 表1 MOSFET封装的典型热阻 封 装 θJA/(℃/W)最小引线面积 θJA/(℃/W)敷铜4.82g/cm2 θJA/(℃/W) SOT23(热增强型) 270 200 75 SOT89 160 70 35 SOT223 110 45 15 8引脚μMAX/Micro8(热增强型) 160 70 35 8引脚TSSOP 200 100 45 8引脚SO(热增强型) 125 62.5 25 D-PAK 110 50 3 D2-PAK 70 40 2 说明:由于封装的机械特性、管芯尺寸和安装及绑定方法等原因,所以同样封装类型的不用器件,以及不同制造商出品的相似封装的热阻也各不相同,为此,应仔细考虑MOSFET数据手册中的热信息。 如果计算出的Tambient高出机壳的最大额定环境温度很多,可以采取下列一条或全部措施: ——降低预定的Tj(hot); ——减小专用于MOSFET散热的铜膜面积; ——采用更廉价的MOSFET。 这些步骤是可选的,因为在此情况下MOSFET不会因过热而损坏。不过,通过这些步骤只要保证Tambient高出机壳最高温度一定裕量,便可以降低线路板面积和成本。 上述计算过程中最大的误差源来自于θJA。应该仔细阅读数据手册中有关θJA规格的所有注释。一般规范都假定器件安装在4.82g/cm2的铜膜上。铜膜耗散了大部分的功率,不同数量的铜膜θJA差别很大。例如,带有4.82g/cm2铜膜的D-Pak封装的θJA会达到50℃/W。但是如果只将铜膜铺设在引脚的下面,θJA将高出两倍(见表1)。如果将多个MOSFET并联使用,θJA主要取决于它们所安装的铜膜面积。两个器件的等效θJA可以是单个器件的一半,但必须同时加倍铜膜面积。也就是说,增加一个并联的MOSFET而不增加铜膜的话,可以使RDS(on)减半但不会改变θJA很多。最后,θJA规范通常都假定没有任何其它器件向铜膜的散热区传递热量。但在大电流情况下,功率通路上的每个元器件,甚至是印刷板线条都会产生热量。为了避免MOSFET过热,须仔细估算实际情况下的θJA,并采取下列措施: ——仔细研究选定MOSFET现有的热性能方面的信息; ——考察是否有足够的空间,以便设置更多的铜膜、散热器和其它器件; ——确定是否有可能增加气流; ——观察一下在假定的散热路径上,是否有其它显著散热的器件; ——估计一下来自周围元件或空间的过剩热量或冷量。 3 结语 热管理是大电流便携式DC/DC设计中难度较大的领域之一。这种难度迫使我们有必要采用上述迭代流程。尽管该过程能够引领热性能设计者靠近最佳设计,但是还必须通过实验来最终确定设计流程是否足够精确。应计算MOSFET的热性能,为它们提供足够的耗散途径,然后在实验室中检验这些计算,这样有助于获得一个耐用而安全的热设计。
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