大功率电源中MOSFET功率计算

　　由于元器件选择数量范围所限，超出某一特定点对MOSFET尺寸进行精确调整也许不太可能，其底线在于MOSFET在最坏情况下的功率必须得以耗散。

　　热阻

　　再参考图1说明，确定是否正确选择了用于同步整流器和开关MOSFET的MOSFET迭代过程的下一个步骤。这一步骤计算每个MOSFET的环境空气温度，它可能导致达到假设的MOSFET结温。为此，首先要确定每个MOSFET的结与环境间的热阻(ΘJA)。

　　如果多个MOSFET并联使用，可以通过与计算两个或更多关联电阻的等效电阻相同的方法，计算其组合热阻。热阻也许难以估计，但测量在一简单PC板上的单一器件的ΘJA就相当容易，系统内实际电源的热性能难以预计，许多热源在竞争有限的散热通道。

　　让我们从MOSFET的ΘJA开始。对于单芯片SO-8 MOSFET封装，ΘJA通常在62°C/W附近。对于其他封装，带有散热栅格或暴露的散热条，ΘJA可能在40°C/W和50°C/W之间(参见表)。计算多高的环境温度将引起裸片达到假设的TJ(HOT)：TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)

　　如果计算的TAMBIENT比封装最大标称环境温度低(意味着封装的最大标称环境温度将导致超过假设的MOSFETTJ(HOT))，就要采取以下一种或所有措施：

　　提高假设的TJ(HOT)(HOT，但不要超过数据参数页给出的最大值;通过选择更合适的MOSFET，降低MOSFET功率耗散;或者，通过加大空气流动或MOSFET周围的铜散热片面积降低ΘJA。

　　然后重新计算。采用电子数据表以简化确定可接受的设计所要求的典型的多重迭代。

　　另一方面，如果计算的比封装最大标称环境温度高得多，就要采取以下一种或所有措施：

　　降低假设的TJ(HOT);减少用于MOSFET功率耗散的铜散热片面积;或者，采用不那么昂贵的MOSFET。

　　这些步骤是可选的，因为本案例中MOSFET不会由于超过设定温度而损坏。然而，在TAMBIENT比封装的最大温度高时，这些步骤可以减小板面积和成本。

　　该过程中最大的不准确性来源于ΘJA。仔细研读ΘJA规格参数相关的数据页说明。典型的规格说明假设器件安装于1平方英寸的2盎司铜片。铜片承担了大部分的散热，而铜片的大小对ΘJA有显著影响。

　　例如，采用1平方英寸的铜片，D-Pak的ΘJAD-Pak可能是50°C/W。但如果铜片就设在封装引脚下，ΘJA值将会加倍(参见表)。采用多个并联MOSFET，ΘJA主要依赖于它所安装的铜片面积。两个元器件的等效ΘJA可能是只有一个元器件时的一半，除非铜片的面积加倍。就是说，增加并联MOSFET而不同时增加铜片面积，将使RDS(ON)减半，但对ΘJA的改变小得多。

　　最后，ΘJA的规格参数假设铜片散热面积不需考虑其他元器件的散热。在高电流时，在功率路径上的每个元件，甚至是PC板上的铜材料都会产生热量。为避免对的MOSFET过度加热，需要仔细计估算实际物理环境能达到的ΘJA值;研究所选择的MOSFET提供的热参数信息;检查是否有空间用于增加额外的铜片、散热器和其他器件;确定增加空气流动是否可行;看看在假设的散热通道有没有其他明显的热源，并要估算一下附近元件和空间的加热或冷却作用。

设计实例

　　图3所示CPU内核电源在40A提供1.3V。两个同样的20A电源在300kHz运行，提供40A输出电源。MAX1718主控制器驱动一个，而MAX1897从控制器驱动另一个。该电源输入范围在8～20V之间，指定封装的最高工组作环境温度60°C。

　　同步整流器包括两个并联的IRF7822MOSFET，在室温条件下组合的最大RDS(ON)为3.25mΩ，而假设TJ(HOT)为115°C时约为4.7mΩ。最大负载系数94%，20A负载电流和4.7mΩ最大RDS(ON)，并联MOSFET的耗散约为1.8W。提供2平方英寸的铜片以进行散热，总ΘJA约为31°C/W。组合MOSFET的温度上升约为55°C，所以此设计将在60°左右的环境温度工作。

　　在室温下组合的最大RDS(ON)为6mΩ，在115°C(假设的TJ(HOT))为8.7mΩ的两个并联IRF7811WMOSFET组成开关MOSFET。组合CRSS为240pF。MAX1718以及MAX1897的1Ω栅极驱动输出约为2A.。当VIN=8V时，电阻损耗为0.57W，而开关损耗约为0.05W。在20V时，电阻损耗为0.23W，而开关损耗约为0.29W。在每个操作点的总损耗大体平衡，而在最小VIN处的最坏情况下，等于0.61W。

　　由于功率耗散水平不高，我们可以在这对MOSFET下面提供了0.5平方英寸的铜片，达到约55°C/W的总ΘJA。这样以35°C的升温，可以支持达80°C的环境温度。

　　本实例的铜散热片仅要求对MOSFET提供。如果有其它器件散热，也许要求铜散热片面积更大。如果空间不允许增加额外的铜散热片，可以减小总功率耗散，将热量扩散到散热量较低的地方，或采用其他方法散热。

　　热能管理是大功率便携设计中最困难的方面之一，它使上述的迭代过程成为必需。虽然这一过程使板设计者已经接近于最终设计，但还是必须通过实验室工作最终确定设计过程是否准确。在实验室中计算MOSFET的热能特性、确何其散热通道并检查计算结果，有助于确保可靠的热设计。