MOS管的知识-MOSFET耗散功率计算图文分析

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:

由于MOSFET耗散功率很大程度上依赖于它的导通电阻(Rds(ON)，计算RDs(ON)看上去是一个很好的出发点。但是MOSFET的Rds(ON)与它的结温(Tj)有关。话说回来，Tj 又依赖于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的热阻(θjA)。这样，似乎很难找到一个着眼点。由于功率耗散的计算涉及到若干个相互依赖的因素，我们可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果。

迭代过程始于为每个MOSFET假定一个结温，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。有些人总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主意。

这样作就要求采用更昂贵的MOSFET,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一所有这些都不是我们所期望的。从某种意义上讲，先假定一个MOSFET结温，然后再计算环境温度，这是一种逆向的考虑方法。毕竟环境温度决定了MOSFET的结温一而不是相反。

不过，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)作为迭代过程的出发点。

多数MOSFET的数据手册只规定了+25°C下的最大Rds(ON)，不过最近有些产品也提供了+125'C下的最大值。MOSFET的RDS(ON)随着温度而增加，典型温度系数在0.35%/°C至0.5%/°C之间。

如果拿不准，可以用一个较为保守的温度系数和MOSFET的+25°C规格(或+125°C规格，如果有的话)近似估算在选定的TJ（HOT)下的最大Rds(ON):

其中，Rds(ON)SPEC 是计算所用的MOSFET导通电阻，TsPEC 是规定Rds(ON)SPEc时的温度。利用计算出的Rds(ON)HOT,可以确定同步整流器和开关MOSFET的功率消耗，具体做法如下所述,我们将讨论如何计算各个MOSFET在给定的管芯温度下的功率消耗，以及完成迭代过程的后续步骤(整个过程详述于图1)。

同步整流器的功率消耗

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，也就是当输人电压达到最大时。

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:

开关MOSFET的功率耗散

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

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:

其中CRss是MOSFET的反向传输电容(数据手册中的一个参数)，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。一旦基于成本因素将选择范围缩小到了特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差别很大)，我们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,而更大(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的功率耗散。

MOSFET功率耗散的最坏情况可能会出现在最低或最高输入电压下。该耗散功率是两种因素之和: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(由于VIN2项的缘故)。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耗散，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，可以考虑用一个更大一点的开关MOSFET(或将一个以上的多个管子相并联)以降低RDs(ON).但如果在VIN(MAx)时损耗显著高出，则应该考虑降低开关MOSFET的尺寸(如果是多管并联的话，或者去掉一个MOSFET)，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，有多种办法可以解决:改变问题的定义。例如，重新定义输人电压范围。

改变开关频率以便降低开关损耗，有可能使用更大一点的、RdS(ON)更低的开关MOSFET。

增加栅极驱动电流，有可能降低开关损耗。MOSFET自身的内部栅极电阻最终限制了栅极驱动电流，实际上限制了这种方法的有效性。

采用一个改进技术的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。

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。

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