大电流便携式DC/DC变换中MOSFET功耗的计算

热阻的估算可能会比较困难。单一器件在一个简单的印刷板上的θ_JA的测算相对容易一些，而要在一个系统内去预测实际电源的热性能是很困难的，因为，那里有许多热源在争夺有限的散热通道。如果有多个MOSFET被并联使用，其整体热阻的计算方法，和计算两个以上并联电阻的等效电阻一样。

我们可以从MOSFET的θ_JA规格开始。对于单一管芯、8引脚封装的MOSFET来讲，θ_JA通常接近于62℃／W。其他类型的封装，有些带有散热片或暴露的导热片，其热阻一般会在40℃／W至50℃／W(见表1所列)。可以用下面的公式计算MOSFET的管芯相对于环境的温升T_j(rise)，即

T_j(rise)=P_L×θ_JA（5）

接下来，计算导致管芯达到预定T_j(hot)时的环境温度T_ambient， 即

表1 MOSFET封装的典型热阻

T_ambient=T_j(hot)－T_j(rise)（6）

如果计算出的θ_JA低于机壳的最大额定环境温度，必须采用下列一条或多条措施：

——升高预定的T_j(hot)，但不要超出数据手册规定的最大值；

——选择更合适的MOSFET以降低其功耗；

——通过增加气流或MOSFET周围的铜膜降低θ_JA。

再重算T_ambient(采用速算表可以简化计算过程，经过多次反复方可选出一个可接受的设计)。而表1为MOSFET封装的典型热阻。

如果计算出的T_ambient高出机壳的最大额定环境温度很多，可以采取下列一条或全部措施：

——降低预定的T_j(hot)；

——减小专用于MOSFET散热的铜膜面积；

——采用更廉价的MOSFET。

这些步骤是可选的，因为在此情况下MOSFET不会因过热而损坏。不过，通过这些步骤只要保证T_ambient高出机壳最高温度一定裕量，便可以降低线路板面积和成本。

上述计算过程中最大的误差源来自于θ _JA。应该仔细阅读数据手册中有关θJA规格的所有注释。一般规范都假定器件安装在4.82g/cm²的铜膜上。铜膜耗散了大部分的功率，不同数量的铜膜θ _JA差别很大。例如，带有4.82g/cm²铜膜的D－Pak封装的θ _JA会达到50℃／W。但是如果只将铜膜铺设在引脚的下面，θ_JA将高出两倍(见表1)。如果将多个MOSFET并联使用，θ _JA主要取决于它们所安装的铜膜面积。两个器件的等效θ _JA可以是单个器件的一半，但必须同时加倍铜膜面积。也就是说，增加一个并联的MOSFET而不增加铜膜的话，可以使R_DS(on)减半但不会改变θ _JA很多。最后，θ _JA规范通常都假定没有任何其它器件向铜膜的散热区传递热量。但在大电流情况下，功率通路上的每个元器件，甚至是印刷板线条都会产生热量。为了避免MOSFET过热，须仔细估算实际情况下的θ _JA，并采取下列措施：

——仔细研究选定MOSFET现有的热性能方面的信息；

——考察是否有足够的空间，以便设置更多的铜膜、散热器和其它器件；

——确定是否有可能增加气流；

——观察一下在假定的散热路径上，是否有其它显著散热的器件；

——估计一下来自周围元件或空间的过剩热量或冷量。

3 结语

热管理是大电流便携式DC/DC设计中难度较大的领域之一。这种难度迫使我们有必要采用上述迭代流程。尽管该过程能够引领热性能设计者靠近最佳设计，但是还必须通过实验来最终确定设计流程是否足够精确。应计算MOSFET的热性能，为它们提供足够的耗散途径，然后在实验室中检验这些计算，这样有助于获得一个耐用而安全的热设计。