热阻下一步是要计算每个MOSFET周围的环境温度，在这个温度下，MOSFET结温将达到我们的假定值(按照前面图1所示的迭代过程，确定合适的MOSFET来作为同步整流器和开关MOSFET)。为此，首先需要确定每个MOSFET结到环境的热阻(ΘJA)。
热阻的估算可能会比较困难。单一器件在一个简单PCB上的ΘJA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，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ΘJA规格开始。对于单一管芯、8引脚封装的MOSFET来讲，ΘJA通常接近于62°C/W。其他类型的封装，有些带有散热片或裸露的导热片，其热阻一般会在40°C/W至50°C/W(表1)。
注：同样封装类型的不同器件，以及不同制造商出品的相似封装的热阻各不相同，和封装的机械特性、管芯尺寸和安装及绑定方法有关。需仔细考虑MOSFET数据资料中的热信息。
可以用下面的公式计算MOSFET的管芯相对于环境的温升：
如果计算出的TAMBIENT低于机壳的最大额定环境温度(意味着机壳的最大额定环境温度将导致MOSFET的预定TJ(HOT)被突破)，必须采用下列一条或更多措施：
• 升高预定的TJ(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MOSFET的功耗。
• 通过增加气流或MOSFET周围的铜膜降低ΘJA。
重算TAMBIENT(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)。另一方面，如果计算出的TAMBIENT高出机壳的最大额定环境温度很多，可以采取下述可选步骤中的任何一条或全部：
• 降低预定的TJ(HOT)。
• 减小专用于MOSFET散热的覆铜面积。
• 采用更廉价的MOSFET。
最后几个步骤是可选的，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TAMBIENT高出机壳最高温度一定裕量，我们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ΘJA。你应该仔细阅读数据资料中有关ΘJA规格的所有注释。一般规范都假定器件安装在1in²的2oz铜膜上。铜膜耗散了大部分的功率，不同数量的铜膜ΘJA差别很大。
例如，带有1in²铜膜的D-Pak封装ΘJA会达到50°C/W。如果只将铜膜铺设在引脚的下面，ΘJA将高出两倍(表1)。
如果将多个MOSFET并联使用，ΘJA主要取决于它们所安装的铜膜面积。两个器件的等效ΘJA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RDS(ON)减半但不会改变ΘJA很多。
最后，ΘJA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。但在高电流情况下，功率通路上的每个元件，甚至是PCB引线都会产生热量。为了避免MOSFET过热，需仔细估算实际情况下的ΘJA，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。
设计实例
图3所示的CPU核电源提供1.5V/60A输出。两个300kHz的相同的30A功率级总共提供60A输出电流。MAX1544IC驱动两级电路，采用180°错相工作方式。该电源的输入范围7V至24V，机壳的最大额定环境温度为+60°C。
图3.该降压型开关调节器中的MOSFET经由本文所述的迭代过程选出。板级设计者通常采用该类型的开关调节器驱动今天的高性能CPU。
同步整流器由两片并联的IRF6603MOSFET组成，组合器件的最大RDS(ON)在室温下为2.75mΩ，在+125°C(预定的TJ(HOT))下近似为4.13mΩ。在最大占空比94%，30A负载电流，以及4.13mΩ最大RDS(ON)时，这些并联MOSFET的功耗大约为3.5W。
提供2in²铜膜来耗散这些功率，总体ΘJA大约为18°C/W，该热阻值取自MOSFET的数据资料。组合MOSFET的温升将接近于+63°C，因此该设计应该能够工作在最高+60°C的环境温度下。
开关MOSFET由两只IRF6604MOSFET并联组成，组合器件的最大RDS(ON)在室温下为6.5mΩ，在+125°C(预定的TJ(HOT))下近似为9.75mΩ。组合后的CRSS为380pF。MAX1544的1Ω高边栅极驱动器可提供将近1.6A的驱动。
VIN=7V时，阻性损耗为1.63W，而开关损耗近似为0.105W。输入为VIN=24V时，阻性损耗为0.475W而开关损耗近似为1.23W。总损耗在各输入工作点大致相等，最坏情况(最低VIN)下的总损耗为1.74W。
28°C/W的ΘJA将产生+46°C的温升，允许工作于最高+80°C的环境温度。若环境温度高于封装的最大规定温度，设计人员应考虑减小用于MOSFET的覆铜面积，尽管该步骤不是必须的。
本例中的覆铜面积单独考虑了MOSFET的需求。如果还有其它器件向这个区域散热的话，可能还需要更多的覆铜面积。如果没有足够的空间增加覆铜，则可以降低总功耗，传递热量到低耗散区，或者采用主动的办法将热量移走。
热管理是大功率便携式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过程。尽管该过程能够引领板级设计者靠近最终设计，但是还必须通过实验来最终确定设计流程是否足够精确。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健壮的热设计。 |
