摘要：介绍了大电流便携式dc/dc中mosfet的迭代流程和功耗计算。

关键词：便携式dc/dc；功率损耗；迭代流程；热阻；结温

引言

众所周知，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。近年来，内核cpu所需的电源电流每两年就翻一番，即便携式内核cpu电源电流需求会高达40a之大，而电压在0.9v和1.75v之间。事实上，尽管电流需求在稳步增长，而留给电源的空间却并没有增加，这个现实已达到甚至超出了在热设计方面的极限。

对于如此大电流的电源，通常将其分割为两个或多相，即每一相提供15a到25a，例如，将一个40a电源变成了两个20a电源。虽然可以使元器件的选择更容易，但是并没有额外增加板上或环境空间，对于减轻热设计的工作基本上没有多大帮助。这是因为在设计大电流电源时，mosfet是最难确定的器件。这一点在笔记本电脑中尤其显著，在这种环境中，散热器、风扇、热管和其它散热方式通常都留给了cpu。而电源设计常常要面临诸多不利因素,诸如狭小的空间和静止的气流以及其元器件散发的热量等恶劣环境，而且，没有任何其它方式可以用来协助散热。

那么如何挑选mosfet呢？回答是，在挑选mosfet时，首先要选择有足够的电流处理能力的，并具有足够的散热通道的，最后还要从量化上考虑必要的热耗和保证足够的散热路径，据此，计算出mosfet的功耗，并确定它们的工作温度。本文分析了一个多相、同步整流、降压型cpu电源中mosfet功耗的计算方法。

图1

1 mosfet功耗的计算

为了确定一个mosfet是否适合于特定的应用，必须计算其功耗，mosfet功耗（pl）主要包含阻性损耗（pr）和开关损耗（ps）两部分，即pl=pr＋psmosfet的功耗很大程度上依赖于它的导通电阻rds(on)，但是，mosfet的rds(on)与它的结温tj有关。而tj又依赖于mosfet管的功耗以及mosfet的热阻θja。由于功耗的计算涉及到若干个相互依赖的因素，为此，可以采用一种迭代过程获得我们所需要的结果，如图1流程所示。

迭代过程起始于为每个mosfet假定一个tj，然后，计算每个mosfet各自的功耗和允许的环境温度。当允许的环境温度达到或略高于机壳内最高温度设计值时，这个过程便结束了。这是一种逆向的设计方法，因为，先从一个假定的tj开始计算，要比先从环境温度计算开始容易一些。

能否将这个计算所得的环境温度尽可能地提高呢？回答是不行的。因为，这势必要求采用更昂贵的mosfet，并在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等，所有这些都是不切实际的。

对于开关和同步整流mosfet，可以选择一个允许的最高管芯结温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℃下的最大rds(on)，不过最近有些产品也提供了＋125℃下的最大值。mosfet的rds(on)随着温度的增高而增加，典型温度系数在0.35％／℃～0.5％／℃之间，如图2所示。如果拿不准，可以用一个较为保守的温度系数和mosfet的＋25℃规格(或＋125℃规格)，在选定的tj(hot)下以最大rds(on)作近似估算，即

式中：rds(on)spec为计算所用的mosfet导通电阻；

tspec为规定rds(on)spec时的温度。

利用计算出的rds(on)hot可以确定同步整流和

开关mosfet的功耗。为此，将进一步讨论如何计算各个mosfet在给定的管芯温度下的功耗，以及完成迭代过程的后续步骤，其整个过程详述如图1所示。

1.1 同步整流的功耗

除最轻负载外，同步整流mosfet的漏、源电压在开通和关闭过程中都会被续流二极管钳位。因此，同步整流几乎没有开关损耗，它的功耗pl只须考虑阻性损耗即可。最坏情况下的损耗发生在同步整流工作在最大占空比时，也就是输入电压达到最低时。利用同步整流的rds(on)和工作占空比，通过欧姆定律可以近似计算出它的功耗，即