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电源中MOSFET耗散功率
双击自动滚屏 发布者:keneipc 发布时间:2011/9/22 阅读:3183次 【字体:

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。CPU的电源电流最近每两年就翻一番。事实上,今天的便携式核电源电流需求会高达60A或更多,电压介于0.9V和1.75V之间。但是,尽管电流需求在稳步增长,留给电源的空间却并没有增加—这个现实已达到了热设计的极限甚至超出。

如此高电流的电源通常被分割为两个或更多相,每一相提供15A到30A。这种方式使元件的选择更容易。例如,一个60A电源变成了两个30A电源。但是,这种方法并没有额外增加板上空间,对于热设计方面的挑战基本上没有多大帮助。

在设计大电流电源时,MOSFET是最难确定的元件。这一点在笔记本电脑中尤其显著,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。这样,电源设计常常要面临狭小的空间、静止的气流以及来自于附近其它元件的热量等不利因素的挑战。而且,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。

在挑选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。最后还要量化地考虑必要的热耗和保证足够的散热路径。本文将一步一步地说明如何计算这些MOSFET的功率耗散,并确定它们的工作温度。然后,通过分析一个多相、同步整流、降压型CPU核电源中某一个30A单相的设计实例,进一步阐明这些概念。

计算MOSFET的耗散功率

为了确定一个MOSFET是否适合于某特定应用,你必须计算一下其功率耗散,它主要包含阻性和开关损耗两部分:

PDDEVICE TOTAL = PDRESISTIVE + PDSWITCHING

同步整流器的功耗

除最轻负载以外,各种情况下同步整流器MOSFET的漏-源电压在打开和关闭过程中都会被续流二极管钳位。因此,同步整流器几乎没有开关损耗,它的功率消耗很容易计算。只需要考虑阻性损耗即可。

最坏情况下的损耗发生在同步整流器工作在最大占空比时,也就是当输入电压达到最大时。利用同步整流器的RDS(ON)HOT和工作占空比,通过欧姆定律,我们可以近似计算出它的功率消耗:

PDSYNCHRONOUS RECTIFIER = [ILOAD² x RDS(ON)HOT] x [1 - (VOUT / VINMAX)]

开关MOSFET的功耗

开关MOSFET的阻性损耗计算和同步整流器非常相似,也要利用它的占空比(不同于前者)和RDS(ON)HOT:

PDRESISTIVE = [ILOAD² x RDS(ON)HOT] x (VOUT / VIN)

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通常没有规格的因素,这些因素同时影响到打开和关闭过程。我们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:

PDSWITCHING = (CRSS x VIN² x fSW x ILOAD) / IGATE

其中CRSS是MOSFET的反向传输电容(数据资料中的一个参数),fSW为开关频率,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坦区域)时的吸收/源出电流。


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