功率MOSFET功耗计较-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2022-03-29
在设想大电流电源时，MOSFET是最难肯定的元件。这一点在条记本电脑中特别较着，如许的环境中，散热器、电扇、热管和别的散热手腕凡是都留给了CPU。
如许，电源设想经常要面对狭窄的空间、运动的气流和来自于四周别的元件的热量等倒霉身分的挑衅。并且，除电源上面少许的印制板铜膜外，不任何别的手腕能够或许或许用来辅佐耗散功率。
在遴选MOSFET时，起首是要挑选有充足的电流处置才能，并具备充足的散热通道的器件。最初还要量化地斟酌须要的热耗和保障充足的散热途径。
本文将申明MOSFET的功耗计较，并肯定它们的任务温度。而后，经由进程阐发一个多相、同步整流、降压型CPU核电源中某一个30A单相的设想实例，进一步说明这些观点。
为了肯定一个MOSFET是不是适合于某特定操纵，你必须计较一下其功率耗散，它首要包罗阻性和开关耗损两局部：
PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING
由于MOSFET的功率耗散很大水平上依靠于它的导通电阻(RDS(ON))，计较RDS(ON)看上去是一个很好的动身点。可是MOSFET的RDS(ON)与它的结温(TJ)有关。话说返来，TJ又依靠于MOSFET的功率耗散和MOSFET的热阻(ΘJA)。
如许，仿佛很难找到一个着眼点。由于功率耗散的计较触及到多少个彼此依靠的身分，咱们能够或许或许接纳一种迭代进程取得咱们所须要的成果(图1)。
图1.该流程图展现了挑选各MOSFET(同步整流器和开关MOSFET)的迭代进程。在这个进程中，各MOSFET的结温为假设值，两个MOSFET的功率耗散和许可环境温度经由进程计较得出。当许可的环境温度到达或略高于咱们所希冀的机箱内最高温度时(机箱内装置了电源及其所驱动的电路)，这个进程就竣事了。
迭代进程始于为每一个MOSFET假设一个结温，而后，计较每一个MOSFET各自的功率耗散和许可的环境温度。当许可的环境气温到达或略高于电源及其所驱动的电路地点的机壳的希冀最高温度时，这个进程便竣事了。
有些人总试图使这个计较所得的环境温度尽能够或许或许高，但凡是这并不是一个好主张。如许作就请求接纳更高贵的MOSFET，在MOSFET下铺设更多的铜膜，或请求接纳一个更大、更快速的电扇发生气流—一切这些都不是咱们所希冀的。
从某种意思上讲，先假设一个MOSFET结温，而后再计较环境温度，这是一种逆向的斟酌体例。究竟结果环境温度决议了MOSFET的结温—而不是相反。不过，从一个假设的结温起头计较要比从环境温度起头轻易一些。
对开关MOSFET和同步整流器，咱们能够或许或许挑选一个最大许可的管芯结温(TJ(HOT))作为迭代进程的动身点。大都MOSFET的数据材料只划定了+25°C下的最大RDS(ON)，不过比来有些MOSFET文档也给出了+125°C下的最大值。
MOSFET的RDS(ON)跟着温度而增添，典范温度系数在0.35%/°C至0.5%/°C之间(图2)。
图2.典范功率MOSFET的导通电阻的温度系数在0.35%每度(绿线)至0.5%每度(红线)之间
若是拿不准，能够或许或许用一个较差的温度系数和MOSFET的+25°C规格(或+125°C规格，若是有的话)类似预算在选定的TJ(HOT)下的最大RDS(ON)：
RDS(ON)HOT=RDS(ON)SPEC[1+0.005×(TJ(HOT)-TSPEC)]
此中，RDS(ON)SPEC是计较所用的MOSFET导通电阻，TSPEC是划定RDS(ON)SPEC时的温度。操纵计较出的RDS(ON)HOT，能够或许或许肯定同步整流器和开关MOSFET的功率耗损，详细做法以下所述。
在上面的章节中，咱们将会商若何计较各个MOSFET在给定的管芯温度下的功率耗损，和实现迭代进程的后续步骤(全数进程胪陈于图1)。
除最轻负载之外，各类环境下同步整流器MOSFET的漏-源电压在翻开和封闭进程中城市被续流二极管钳位。是以，同步整流器几近不开关耗损，它的功率耗损很轻易计较。只需要斟酌阻性耗损便可。
最坏环境下的耗损发生在同步整流器任务在最大占空比时，也便是当输出电压到达最大时。操纵同步整流器的RDS(ON)HOT和任务占空比，经由进程欧姆定律，咱们能够或许或许类似计较出它的功率耗损：
PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD×RDS(ON)HOT]×[1-(VOUT/VINMAX)]
开关MOSFET的阻性耗损计较和同步整流器很是类似，也要操纵它的占空比(不同于前者)和RDS(ON)HOT：
PDRESISTIVE=[ILOAD×RDS(ON)HOT]×(VOUT/VIN)
开关MOSFET的开关耗损计较起来比拟坚苦，由于它依靠于良多难以量化并且凡是不规格的身分，这些身分同时影响到翻开和封闭进程。咱们能够或许或许起首用以下大略的类似公式对某个MOSFET停止评估，而后经由进程尝试对其机能停止考证：
PDSWITCHING=(CRSS×VIN×fSW×ILOAD)/IGATE
此中CRSS是MOSFET的反向传输电容(数据材料中的一个参数)，fSW为开关频次，IGATE是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展地区)时的接收/源出电流。
一旦基于本钱身分将挑选规模减少到了特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的本钱不同很大)，咱们就能够或许或许在这一代的器件中找到一个能够或许或许使功率耗散最小的器件。这个器件应当具备均衡的阻性和开关耗损。
利用更小(更快)的MOSFET所增添的阻性耗损将跨越它在开关耗损方面的下降，而更大(RDS(ON)更低)的器件所增添的开关耗损将跨越它对阻性耗损的下降。
若是VIN是变更的，须要在VIN(MAX)和VIN(MIN)下别离计较开关MOSFET的功率耗散。MOSFET功率耗散的最坏环境能够或许或许会呈现在最低或最高输出电压下。
该耗散功率是两种身分之和：在VIN(MIN)时到达最高的阻性耗散(占空比拟高)，和在VIN(MAX)时到达最高的开关耗损(由于VIN项的原因)。一个好的挑选应当在VIN的两种极度环境下具备大抵不异的耗散，并且在全数VIN规模内坚持均衡的阻性和开关耗损。
若是耗损在VIN(MIN)时较着超越跨越，则阻性耗损起主导感化。这类环境下，能够或许或许斟酌用一个更大一点的开关MOSFET(或将一个以上的多个管子相并联)以下降RDS(ON)。但若是在VIN(MAX)时耗损较着超越跨越，则应当斟酌下降开关MOSFET的尺寸(若是是多管并联的话，或去掉一个MOSFET)，以便使其开关速率更快一点。
若是阻性和开关耗损已达均衡，但总功耗依然太高，有多种体例能够或许或许处理：
转变题目的界说。比方，从头界说输出电压规模。
转变开关频次以便下降开关耗损，有能够或许或许利用更大一点的、RDS(ON)更低的开关MOSFET。
增添栅极驱动电流，有能够或许或许下降开关耗损。MOSFET本身的外部栅极电阻终究限定了栅极驱动电流，现实上限定了这类体例的有用性。
接纳一个改良手艺的MOSFET，以便同时取得更快的开关速率、更低的RDS(ON)和更低的栅极电阻。
离开某个给定的前提对MOSFET的尺寸作更邃密的调剂是不大能够或许或许的，由于器件的挑选规模是无限的。挑选的底线是MOSFET在最坏环境下的功耗必须能够或许或许被耗散掉。
下一步是要计较每一个MOSFET四周的环境温度，在这个温度下，MOSFET结温将到达咱们的假设值(根据后面图1所示的迭代进程，肯定适合的MOSFET来作为同步整流器和开关MOSFET)。为此，起首须要肯定每一个MOSFET结到环境的热阻(ΘJA)。
热阻的预算能够或许或许会比拟坚苦。单一器件在一个简略PCB上的ΘJA测算绝对轻易一些，而要在一个体系内去展望现实电源的热机能是很坚苦的，那边有良多热源在争取无限的散热通道。若是有多个MOSFET被并联利用，其全体热阻的计较体例，和计较两个以上并联电阻的等效电阻一样。
咱们能够或许或许从MOSFET的ΘJA规格起头。对单一管芯、8引脚封装的MOSFET来说，ΘJA凡是靠近于62°C/W。其余范例的封装，有些带有散热片或袒露的导热片，其热阻普通会在40°C/W至50°C/W(表1)。
表1.MOSFET封装的典范热阻
注：一样封装范例的不同器件，和不同制作商出品的类似封装的热阻各不不异，和封装的机器特征、管芯尺寸和装置及绑定体例有关。需细心斟酌MOSFET数据材料中的热信息。
能够或许或许用上面的公式计较MOSFET的管芯绝对环境的温升：
TJ(RISE)=PDDEVICETOTAL×ΘJA
接上去，计较致使管芯到达预约TJ(HOT)时的环境温度：
TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)
若是计较出的TAMBIENT低于机壳的最大额外环境温度(象征着机壳的最大额外环境温度将致使MOSFET的预约TJ(HOT)被冲破)，必须接纳以下一条或更多办法：
下降预约的TJ(HOT)，但不要超越数据手册划定的最大值。
挑选更适合的MOSFET以下降MOSFET的功耗。
经由进程增添气流或MOSFET四周的铜膜下降ΘJA。
重算TAMBIENT(接纳速算表能够或许或许简化计较进程，颠末屡次频频方可选出一个可接受的设想)。另外一方面，若是计较出的TAMBIENT超越跨越机壳的最大额外环境温度良多，能够或许或许接纳下述可选步骤中的任何一条或全数：
下降预约的TJ(HOT)。
减小公用于MOSFET散热的覆铜面积。
接纳更便宜的MOSFET。
最初这几个步骤是可选的，由于在此环境下MOSFET不会因过热而破坏。不过，经由进程这些步骤，只需保障TAMBIENT超越跨越机壳最高温度必然裕量，咱们能够或许或许下降线路板面积和本钱。
上述计较进程中最大的偏差源来自于ΘJA。你应当细心浏览数据材料中有关ΘJA规格的一切正文。普通标准都假设器件装置在1in的2oz铜膜上。铜膜耗散了大局部的功率，不同数目的铜膜ΘJA不同很大。比方，带有1in铜膜的D-Pak封装ΘJA会到达50°C/W。可是若是只将铜膜铺设在引脚的上面，ΘJA将超越跨越两倍(表1)。
若是将多个MOSFET并联利用，ΘJA首要取决于它们所装置的铜膜面积。两个器件的等效ΘJA能够或许或许是单个器件的一半，但必须同时更加铜膜面积。也便是说，增添一个并联的MOSFET而不增添铜膜的话，能够或许或许使RDS(ON)减半但不会转变ΘJA良多。
最初，ΘJA标准凡是都假设不任何别的器件向铜膜的散热区通报热量。但在高电流环境下，功率通路上的每一个元件，乃至是PCB引线城市发生热量。为了防止MOSFET过热，需细心预算现实环境下的ΘJA，并接纳以下办法：
细心研讨选定MOSFET现有的热机能方面的信息。
考查是不是有充足的空间，以便设置更多的铜膜、散热器和别的器件。
肯定是不是有能够或许或许增添气流。
察看一下在假设的散热途径上，是不是有别的较着散热的器件。
估量一上去自四周元件或空间的多余热量或冷量。
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