大电流便携式DCDC中MOSFET功耗的计算.doc

大电流便携式DC-DC中MOSFET功耗的计算
鲁思慧
 
众所周知,今天的携便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。因近年来,内核CPU所需的电源电流每两年就翻一倍,即便携式内核CPU电源电流需求会高达40A之多,。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。
 
对于如此高电流的电源,通常将以分割为两个或多相,即使每一相提供15A到25A. 例如,一个40A电源变成了两个20A电源。虽然这种方式可使元件的选择更容易。但是,这种方法并没有额外增加板上或环境空间,这对于热设计方面的挑战基本上没有多大帮助。为什么这么说呢?这是因为在设计高电流电源时,MOSFET是最难确定的元件。这一点在笔记本电脑中尤其显著,在这样的环境中,散热器、风扇、热管和其它散热手段通常都留给了CPU。而电源设计常常却要面临诸多不利因素的挑战, ,除了电源下面少量的印制板铜膜外,没有任何其它手段可以用来协助耗散功率。
 
那末如何挑选MOSFET呢?回答是,在桃选MOSFET时,首先是要选择有足够的电流处理能力,并具有足够的散热通道的器件,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,如何计算这些MOSFET的功率耗散,并确定它们的工作温度,然后进一步阐明这些概念,从而分析出一个多相、同步整流、降压型CPU核电源MOSFET功耗计算方法就成了本文叙述的重点.
 
计算MOSFET的耗散功率
 
为了确定一个MOSFET 是否适合于特定应用,必须计算一下其功率耗散, MOSFET功率耗散(PD总)主要包含阻性损耗(PD阻性)和开关损耗(PD开关)两部分:即
 
PD总= PD阻性+ PD开关
 

由于MOSFET的功率耗散很大程度上依赖于它的导通电阻(RDS(on)),计算RDS(on)似乎是一个很好的出发点。但是MOSFET的RDS(on)与它的结温(Tj)有关。而Tj又依赖于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的热阻()。这样,又似乎很难找到一个着眼点。但由于功率耗散的计算涉及到若干个相互依赖的因素,为此,我们可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果(见图1流程所示)。
 

迭代过程始于为每个MOSFET假定一个结温(Tj ),然后,计算每个MOSFET各自的功率耗散和允许的环境温度。当允许的环境气温达到或略高于期望的机壳内最高温度时,这个过程便结束了。

如果试图使这个计算所得的环境温度尽可能高,但通常这并不是一个好的设想,这是为什么呢?因为这样,就要求采用更昂贵的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,所有这些都不是我们所期望的。

为此,从某种意义上讲,可先假定一个MOSFET结温(Tj ),然后再计算环境温度,这是一种逆向的设计方法,因为毕竟是先有环境温度决定MOSFET的结温(Tj ),而不是相反。然而,从一个假定的结温开始计算要比从环境温度开始容易一些。对于开关MOSFET和同步整流器,我们可以选择一个最大允许的管芯结温(Tj(hot))作为迭代过程的