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[参考译文] CSD17573Q5B:如何在高功率直流/直流设计中冷却 MOSFET?

Guru**** 1133960 points
Other Parts Discussed in Thread: CSD17573Q5B, CSD17303Q5, CSD18512Q5B, CSD17305Q5A, CSD17306Q5A, CSD17577Q5A, CSD17576Q5B
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/769583/csd17573q5b-how-to-cool-down-mosfet-in-a-high-power-dc-dc-design

器件型号:CSD17573Q5B
主题中讨论的其他器件: CSD17303Q5CSD18512Q5BCSD17305Q5ACSD17306Q5ACSD17577Q5ACSD17576Q5B

您好!

我有一个160W 直流/直流降压转换器。  

我在160W 直流/直流降压转换器上使用了2个 CSD17573Q5B MOSFET。 最大输入电流可达9.5A。

我的直流/直流转换 器在提供160W 功率时效率为94.5%、这意味着 MOSFET (约6.5W)、电感器(约1.3W)和感应电阻器(约1W)上的压降约为8.8W (160W*5.5%)。

我注意到、在室温(25c)下、MOSFET 温度上升至77c。 正如我在上面写的那样、每个 MOSFET 上大约有3.2W。

 在 CSD17573Q5B 的数据表中、RθJA Ω 结至环境热阻在1in2和2oz PCB 平面图上为50°C/W。

如上所述、每个 MOSFET 上的电压约为3.2W、根据数据表、结温应高达3.2W*50c/W +25c = 185c。

我的设计具有多个层、但似乎还不够。

如何更有效地冷却 MOSFET?

BTW、长时间工作的建议可靠结温是多少?

谢谢

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    您好、Ravid、
    感谢您提出问题并关注 TI MOSFET。 首先、让我向您介绍以下博客: e2e.ti.com/.../understanding-mosfet-data-sheets-part-6-thermal-impedance。 接下来、让我们回顾一下功率损耗计算。 对于 PoUT = 160W @ 94.5%效率:引脚= Pout/eff = 160W/0.945 = 169.3W、而 PDI =引脚- PoUT = 169.3W - 160W = 9.3W。 比您的计算高出0.5W。 我有几个问题:(1)如何估算 FET 中的功率损耗、(2)在哪里测量的 FET 温度为77摄氏度? TI 通常测量封装底部漏极焊盘上的外壳温度。 客户通常会在非常靠近器件的 PCB 上或使用 IR 摄像头或热电偶在外壳顶部进行测量。 根据测量温度的位置、您可以计算结温为 Tj = Tcase + Pdis x Rtheta (j-c)。 使用数据表中的0.8degC/W 值(到外壳底部)、我计算出您的应用中的 Tj 为77degC + 3.2W (0.8W/degC)= 79.6degC。 大部分热量通过封装背面的大焊盘散发。 因此、如果您测量外壳顶部的温度、结温仍将比外壳高几度。 例如、如果我估计80%的功耗通过底部、则通过外壳顶部的热量为0.2 x 3.2W = 0.64W。 通过外壳顶部的典型热阻抗为~15摄氏度/瓦 然后 Tj = 77°C + 0.64W (15°C/W)= 86.6°C。

    在 CSD17573Q5B 数据表中、TI 根据25°C 的环境温度和40°C/W 的典型 Rtheta (j-a)规格将最大功率耗散限制为3.2W 这将得出大约150摄氏度的最大 Tj。

    您可以最大限度地扩大 FET 内部和周围的铜面积、并在大型焊盘中使用散热过孔将热量散发到内层。 请访问此页面以获取更多有用的提示: www.ti.com/.../midlevel.tsp

    最后、大多数客户会根据其可靠性要求将最大 Tj (150摄氏度)降低10 - 40摄氏度。 这相当于最大工作 Tj 为110摄氏度至140摄氏度。 我看到的典型工作结温范围为115摄氏度至125摄氏度。
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    您好、Ravid、
    您能否分享对直流/直流转换器的要求:输入电压、输出电压、输出电流、开关频率、输出电感值和最高环境温度? 我可以运行一些功率损耗估算。 您是否在高侧和低侧使用相同的 FET?
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    你(们)好

    感谢您的快速响应!

    我认为我在预览消息中没有很好地解释自己。 我的意思是引脚为160W、Pout 为151.2W、因此效率为94.5%、但非常接近您的计算。

    我在高侧 MOSFET 的顶部外壳上测量了77c (比低侧 MOSFET 高大约10c)。

    以下是我对直流/直流转换器的要求:

    输入电压- 17.5V

    输入电流-高达9.5A

    输出电压- 9.5V

    输出电流-高达16A

    SW 频率- 500kHz (最小475Khz、最大525Khz)

    输出电感器- 10uH

    CSD17573Q5B 用于高侧和低侧

    BTW I 无法更改 SW 频率。

    谢谢!

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    您好、Ravid、
    对于此设计、您选择了我们的低 RDS (on)和高侧和低侧栅极电荷 FET 之一。 虽然这将最大程度地减少导通损耗、但也会增加高侧 FET 中的开关损耗和两个 FET 的栅极驱动损耗。 我一直使用我们的在线工具(www.ti.com/.../fetpwrcalc) 来估算功率损耗、CSD17573Q5B 由于开关损耗过大、因此不是高侧 FET 的最佳选择。 我可以推荐替代器件、这些器件将降低 FET 的总体功率损耗、并且很可能有助于降低高侧 FET 的温度。 您能否提供栅极驱动电压(我假设为5V)以及您使用什么 IC 来驱动 FET? 如果您无法共享 IC 器件型号、请为高侧和低侧驱动提供上拉/下拉驱动器电阻。
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    你(们)好
    栅极驱动电压为5V。
    两个 MOSFET 的上拉导通电阻为2 Ω、下拉电阻为0.5 Ω。
    谢谢
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    您好、Ravid、
    我使用了在线 FET 损耗计算器并输入了您的设计要求。 对于低侧和高侧的 CSD17573Q5B、高侧的估算功耗约为4.5W (难怪会变得很热!) 低侧约为0.5W。 我在高侧尝试了许多不同的选项、最佳选项(最低功率损耗)是 CSD17303Q5。 我还尝试了几种不同的低侧器件、最佳选择是 CSD18512Q5B。 这一组合为我提供了 FET 的最低总体估算功率损耗:2.5W 高侧和0.5W 低侧。 基于1k 的定价、这是一种比您在高侧和低侧使用的原始 FET 成本更高的解决方案。 不过、我认为我们可以在低侧折衷一些额外的功率损耗、从而实现更低的成本、更高的 RDS (on) FET。 以下是我建议使用的 FET (降低性能和成本):

    高侧:CSD17303Q5、CSD17305Q5A、CSD17306Q5A
    低侧:CSD18512Q5B、CSD17573Q5B、CSD17576Q5A、CSD17577Q5A

    基于1k 定价的最低成本选择是 CSD17306Q5A (2.67W)和 CSD17577Q5A (0.84W)。 请注意、Q5、Q5A 和 Q5B 封装之间略有差异。 您需要查看数据表中的封装信息、以确保您选择的封装与现有布局兼容。 为了在实验室中进行测试、您应该能够将任何封装置于现有的封装中。 如果您有任何疑问或需要任何其他信息、请查看并告知我
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    我在上一个回复中的器件型号不正确。 应为 CSD17376Q5B。
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    抱歉、CSD17576Q5B。
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    好的、很好、我将尝试使用您推荐的 MOSFET。
    感谢您的支持!
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    我们诚挚欢迎您的到来、感谢您关注 TI FET。