MOS管耗散功率的計(jì)算

MOS管的功率，一般是指Maximum Power Dissipation--Pd，最大的耗散功率，具體是指MOS元件的容許損失，可從產(chǎn)品的熱阻上求得。當(dāng)Tc=25度時(shí)，通過(guò)附加最大容許損耗Pd，則變?yōu)門(mén)c=150度max. Pd=（Tcmax-Tc）/Rth（ch-c）

MOS管大功率和小功率也只是一個(gè)相對(duì)的說(shuō)法，就比如我們平時(shí)說(shuō)高個(gè)子可能是1.7，1.8，也可能是1.9；那矮個(gè)子可能是1.4，1.5，也可能是1.7，1.8，對(duì)于高度為2.0的人來(lái)說(shuō)。

一般來(lái)講，電流大于10A的，電壓高于500V的可以稱(chēng)為大功率，但不絕對(duì)。

MOS的功耗是指MOS在電路應(yīng)用中的損耗，比如導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗等，當(dāng)然設(shè)計(jì)及應(yīng)用的時(shí)候這個(gè)值一定是遠(yuǎn)小于MOS管的Pd.?

MOS管耗散功率的計(jì)算

在條件相同的情況下，降低開(kāi)關(guān)頻率一定可以降低MOS的功耗。??

MOS管的功耗主要有開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗。?

首先要計(jì)算通態(tài)損耗的影響。Pcond=Idsrms*Idsrms*RDSon*Dmax，?

例如：Idsrms=11A時(shí)，Dmax接近100%，RDSon取8豪歐，Pcond約1W。?

再估算開(kāi)關(guān)損耗。PSW=VDSoff*Idsrms*（tr+tf）*f/2。?例如：tr+tf=600ns，f=15625，VDSoff取24V，PSW=1.24W?

Pmos=Pcond+PSW=2.24w。?

如果MOS采用單個(gè)IRF3205?，不加散熱片時(shí)的熱阻是62度/W。此時(shí)的溫升是62*2.24=138度。?所以不管其他的條件，在這應(yīng)用里必須加裝良好的散熱器。?

由開(kāi)關(guān)損耗的公式可以看出，反電動(dòng)勢(shì)的抑制的確是重要的，必須采用足夠容量的低ESR的電解電容安裝在MOS附件吸收反電動(dòng)勢(shì)，由于流過(guò)該電容的電流波紋很大，電容容易發(fā)熱。?如果反電動(dòng)勢(shì)吸收不好，還會(huì)造成MOS關(guān)斷不良的情況，需要用示波器實(shí)際觀察。

MOS管功耗計(jì)算

計(jì)算功率耗散?

要確定一個(gè)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管是否適于某一特定應(yīng)用，需要對(duì)其功率耗散進(jìn)行計(jì)算。耗散主要包括阻抗耗散和開(kāi)關(guān)耗散：PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING?

由于MOSFET的功率耗散很大程度上取決于其導(dǎo)通電阻（RDS（ON）），計(jì)算RDS（ON）看似是一個(gè)很好的著手之處。但MOSFET的導(dǎo)通電阻取決于結(jié)溫TJ。返過(guò)來(lái)，TJ又取決于MOSFET中的功率放大器耗散和MOSFET的熱阻（ΘJA）。這樣，很難確定空間從何處著手。由于在功率耗散計(jì)算中的幾個(gè)條件相互依賴，確定其數(shù)值時(shí)需要迭代過(guò)程（圖1）。

這一過(guò)程從首先假設(shè)各MOSFET的結(jié)溫開(kāi)始，同樣的過(guò)程對(duì)于每個(gè)MOSFET單獨(dú)進(jìn)行。MOSFET的功率耗散和允許的環(huán)境溫度都要計(jì)算。

當(dāng)允許的周?chē)鷾囟冗_(dá)到或略高于電源封裝內(nèi)和其供電的電路所期望的最高溫度時(shí)結(jié)束。使計(jì)算的環(huán)境溫度盡可能高看似很誘人，但這通常不是一個(gè)好主意。這樣做將需要更昂貴的MOSFET、在MOSFET下面更多地使用銅片，或者通過(guò)更大或更快的風(fēng)扇使空氣流動(dòng)。所有這些都沒(méi)有任何保證。?

在某種意義上，這一方案蒙受了一些“回退”。畢竟，環(huán)境溫度決定MOSFET的結(jié)溫，而不是其他途徑。但從假設(shè)結(jié)溫開(kāi)始所需要的計(jì)算，比從假設(shè)環(huán)境溫度開(kāi)始更易于實(shí)現(xiàn)。?

對(duì)于開(kāi)關(guān)MOSFET和同步整流器兩者，都是選擇作為此迭代過(guò)程開(kāi)始點(diǎn)的最大允許裸片結(jié)溫（TJ（HOT））。大多數(shù)MOSFET數(shù)據(jù)參數(shù)頁(yè)只給出25°C的最大

RDS（ON），，但近來(lái)有一些也提供了125°C的最大值。MOSFETRDS（ON）隨著溫度而提高，通常溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C的范圍內(nèi)（圖2）。如果對(duì)此有所懷疑，可以采用更悲觀的溫度系數(shù)和MOSFET在25°C規(guī)格參數(shù)（或125°C的規(guī)格參數(shù)，如果有提供的話）計(jì)算所選擇的TJ（HOT）處的最大RDS（ON）：RDS（ON）HOT=RDS（ON）SPEC×［1+0.005×（TJ（HOT）？TSPEC）］?

其中，RDS（ON）SPEC為用于計(jì)算的MOSFET導(dǎo)通電阻，而TSPEC為得到RDS（ON）SPEC的溫度。如下描述，用計(jì)算得到的RDS（ON）HOT確定MOSFET和同步整流器的功率耗散。討論計(jì)算各MOSFET在假定裸片溫度的功率耗散的段落之后，是對(duì)完成此迭代過(guò)程所需其他步驟的描述。

同步整流器的耗散?

對(duì)于除最大負(fù)載外的所有負(fù)載，在開(kāi)、關(guān)過(guò)程中，同步整流器的MOSFET的漏源電壓通過(guò)捕獲二極管箝制。因此，同步整流器沒(méi)有引致開(kāi)關(guān)損耗，使其功率耗散易于計(jì)算。需要考慮只是電阻耗散。?

最壞情況下?lián)p耗發(fā)生在同步整流器負(fù)載系數(shù)最大的情況下，即在輸入電壓為最大值時(shí)。通過(guò)使用同步整流器的RDS（ON）HOT和負(fù)載系數(shù)以及歐姆定律，就可以計(jì)算出功率耗散的近似值：

PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=［ILOAD2×RDS（ON）HOT］×［1》-（VOUT/VIN（MAX））］?

開(kāi)關(guān)MOSFET的耗散?

開(kāi)關(guān)MOSFET電阻損耗的計(jì)算與同步整流器的計(jì)算相仿，采用其（不同的）負(fù)載系數(shù)和RDS（ON）HOT：PDRESISTIVE=［ILOAD2×RDS（ON）HOT］×（VOUT/VIN）?

由于它依賴于許多難以定量且通常不在規(guī)格參數(shù)范圍、對(duì)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生影響的因素，開(kāi)關(guān)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算較為困難。在下面的公式中采用粗略的近似值作為評(píng)估一個(gè)MOSFET的第一步，并在以后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證：PDSWITCHING=（CRSS×VIN2×fSW×ILOAD）/IGATE?其中CRSS為MOSFET的反向轉(zhuǎn)換電容（一個(gè)性能參數(shù)），fSW為開(kāi)關(guān)頻率，而IGATE為MOSFET的啟動(dòng)閾值處（柵極充電曲線平直部分的VGS）的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的吸收電流和的源極電流。?

一旦根據(jù)成本（MOSFET的成本是它所屬于那一代產(chǎn)品的非常重要的功能）將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET，那一代產(chǎn)品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開(kāi)關(guān)損耗的型號(hào)。若采用更?。ǜ欤┑钠骷瑒t電阻損耗的增加幅度大于開(kāi)關(guān)損耗的減小幅度;而采用更大（RDS（ON）低）的器件中，則開(kāi)關(guān)損耗的增加幅度大于電阻損耗的減小幅度。?

如果VIN是變化的，必須同時(shí)計(jì)算在VIN（MAX）和VIN（MIN）處的開(kāi)關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET最壞情況下功率耗散將出現(xiàn)在最小或最大輸入電壓處。耗散為兩個(gè)函數(shù)的和：在VIN（MIN）（較高的負(fù)載系數(shù)）處達(dá)到最大的電阻耗散，和在VIN（MAX）（由于VIN2的影響）處達(dá)到最大的開(kāi)關(guān)耗散。最理想的選擇略等于在VIN極值的耗散，它平衡了VIN范圍內(nèi)的電阻耗散和開(kāi)關(guān)耗散。?

如果在VIN（MIN）處的耗散明顯較高，電阻損耗為主。在這種情況下，可以考慮采用較大的開(kāi)關(guān)MOSFET，或并聯(lián)多個(gè)以達(dá)到較低的RDS（ON）值。但如果在VIN（MAX）處的耗散明顯較高，則可以考慮減小開(kāi)關(guān)MOSFET的尺寸（如果采用多個(gè)器件，或者可以去掉MOSFET）以使其可以更快地開(kāi)關(guān)。?

如果所述電阻和開(kāi)關(guān)損耗平衡但還是太高，有幾個(gè)處理方式：

改變題目設(shè)定。例如，重新設(shè)定輸入電壓范圍;改變開(kāi)關(guān)頻率，可以降低開(kāi)關(guān)損耗，且可能使更大、更低的RDS（ON）值的開(kāi)關(guān)MOSFET成為可能;增大柵極驅(qū)動(dòng)電流，降低開(kāi)關(guān)損耗。MOSFET自身最終限制了柵極驅(qū)動(dòng)電流的內(nèi)部柵極電阻，實(shí)際上局限了這一方案;采用可以更快同時(shí)開(kāi)關(guān)并具有更低RDS（ON）值和更低的柵極電阻的改進(jìn)的MOSFET技術(shù)。?

由于元器件選擇數(shù)量范圍所限，超出某一特定點(diǎn)對(duì)MOSFET尺寸進(jìn)行精確調(diào)整也許不太可能，其底線在于MOSFET在最壞情況下的功率必須得以耗散。?

熱阻?

再參考圖1說(shuō)明，確定是否正確選擇了用于同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET的MOSFET迭代過(guò)程的下一個(gè)步驟。這一步驟計(jì)算每個(gè)MOSFET的環(huán)境空氣溫度，它可能導(dǎo)致達(dá)到假設(shè)的MOSFET結(jié)溫。為此，首先要確定每個(gè)MOSFET的結(jié)與環(huán)境間的熱阻（ΘJA）。?

如果多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，可以通過(guò)與計(jì)算兩個(gè)或更多關(guān)聯(lián)電阻的等效電阻相同的方法，計(jì)算其組合熱阻。熱阻也許難以估計(jì)，但測(cè)量在一簡(jiǎn)單PC板上的單一器件的ΘJA就相當(dāng)容易，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際電源的熱性能難以預(yù)計(jì)，許多熱源在競(jìng)爭(zhēng)有限的散熱通道。?

讓我們從MOSFET的ΘJA開(kāi)始。對(duì)于單芯片SO-8MOSFET封裝，ΘJA通常在62°C/W附近。對(duì)于其他封裝，帶有散熱柵格或暴露的散熱條，ΘJA可能在40°C/W和50°C/W之間（參見(jiàn)表）。計(jì)算多高的環(huán)境溫度將引起裸片達(dá)到假設(shè)的TJ（HOT）：TAMBIENT=TJ（HOT）-TJ（RISE）?

如果計(jì)算的TAMBIENT比封裝最大標(biāo)稱(chēng)環(huán)境溫度低（意味著封裝的最大標(biāo)稱(chēng)環(huán)境溫度將導(dǎo)致超過(guò)假設(shè)的MOSFETTJ（HOT）），就要采取以下一種或所有措施：?提高假設(shè)的TJ（HOT）（HOT，但不要超過(guò)數(shù)據(jù)參數(shù)頁(yè)給出的最大值;通過(guò)選擇更合適的MOSFET，降低MOSFET功率耗散;或者，通過(guò)加大空氣流動(dòng)或MOSFET周?chē)你~散熱片面積降低ΘJA。

然后重新計(jì)算。采用電子數(shù)據(jù)表以簡(jiǎn)化確定可接受的設(shè)計(jì)所要求的典型的多重疊代。?

另一方面，如果計(jì)算的比封裝最大標(biāo)稱(chēng)環(huán)境溫度高得多，就要采取以下一種或所有措施：?

降低假設(shè)的TJ（HOT）;減少用于MOSFET功率耗散的銅散熱片面積;或者，采用不那么昂貴的MOSFET。?

這些步驟是可選的，因?yàn)楸景咐蠱OSFET不會(huì)由于超過(guò)設(shè)定溫度而損壞。然而，在TAMBIENT比封裝的最大溫度高時(shí)，這些步驟可以減小板面積和成本。?該過(guò)程中最大的不準(zhǔn)確性來(lái)源于ΘJA。仔細(xì)研讀ΘJA規(guī)格參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)頁(yè)說(shuō)明。典型的規(guī)格說(shuō)明假設(shè)器件安裝于1平方英寸的2盎司銅片。銅片承擔(dān)了大部分的散熱，而銅片的大小對(duì)ΘJA有顯著影響。?

例如，采用1平方英寸的銅片，D-Pak的ΘJAD-Pak可能是50°C/W。但如果銅片就設(shè)在封裝引腳下，ΘJA值將會(huì)加倍（參見(jiàn)表）。采用多個(gè)并聯(lián)MOSFET，ΘJA主要依賴于它所安裝的銅片面積。兩個(gè)元器件的等效ΘJA可能是只有一個(gè)元器件時(shí)的一半，除非銅片的面積加倍。就是說(shuō)，增加并聯(lián)MOSFET而不同時(shí)增加銅片面積，將使RDS（ON）減半，但對(duì)ΘJA的改變小得多。?

最后，ΘJA的規(guī)格參數(shù)假設(shè)銅片散熱面積不需考慮其他元器件的散熱。在高電流時(shí)，在功率路徑上的每個(gè)元件，甚至是PC板上的銅材料都會(huì)產(chǎn)生熱量。為避免對(duì)的MOSFET過(guò)度加熱，需要仔細(xì)計(jì)估算實(shí)際物理環(huán)境能達(dá)到的ΘJA值;研究所選擇的MOSFET提供的熱參數(shù)信息;檢查是否有空間用于增加額外的銅片、散熱器和其他器件;確定增加空氣流動(dòng)是否可行;看看在假設(shè)的散熱通道有沒(méi)有其他明顯的熱源，并要估算一下附近元件和空間的加熱或冷卻作用。

三極管耗散功率的定義及計(jì)算方法

三極管耗散功率也是三極管集電極耗散參數(shù)PCM。是指為了使三極管安全工作對(duì)它的工作電壓、電流與功率損耗的限制。

PCM決定于晶體管的溫升。當(dāng)硅管的溫度大于150度、鍺管的溫度大于70度時(shí)，管子損壞特別明顯，甚至燒毀。

如何計(jì)算三極管耗散功率

對(duì)于確定型號(hào)的晶體管，Pcm是一個(gè)確定值，即Pcm=ic*Uce=常數(shù)。

耗散功率和輸出功率沒(méi)有直接關(guān)系，是管子自身所能承受的損耗功率，影響到輸出的效率；另外，需要特別注意的是，對(duì)于大功率的晶體管的PCM，應(yīng)特別注意測(cè)試條件，對(duì)于散熱條件不滿足時(shí)，器件所能承受的PCM小于規(guī)格值。