【经验】如何计算和设计贴片型功率MOSFET的PCB铺铜散热，防止MOSFET过热损坏？
小功率开关电源一般都选用MOSFET作为功率开关器件或者缓启动电路器件，由于贴片型MOSFET不用安装散热器，能够节省PCB面积，因此很多情况下都选用贴片型MOSFET来设计电路。但是在开关电源功率和电流升高或者环境温度升高时，MOSFET会发热严重，严重者会造成MOSFET热损坏，那怎么计算和设计贴片型功率MOSFET的PCB铺铜，防止其损坏？
本文结合小功率开关电源设计项目，以新电元（SHINDENGEN）公司推出的一款针对工业化应用的N沟道MOSFET管P8B30HP2为例，介绍怎么计算和设计PCB的铺铜面积，给MOSFET运行时散热，实现对其的过热保护。
图1高温试验标准表格
首先介绍开关电源的电气参数和环境温度，额定输入电压110VDC，输入电压波动范围：66VDC~ 154VDC，输入最大功率150W，输出电压15VDC。高温试验标准如图1所示，常温温度下，每分钟升温1℃，升温到70℃时连续运行6h，然后升温到85℃时运行15min，最后降温到常温25℃。
图2贴片MOSFET铺铜PCB图
由于MOSFET开通存在内阻压降，采用贴片MOSFET需要考虑PCB的散热问题，设计接下来以SHINDENGEN公司的N沟道功率MOSFET管P8B30HP2为例，介绍怎么计算和设计贴片型功率MOSFET的PCB铺铜面积，实现MOSFET的安全散热要求，其基本思路和步骤是：
1）先通过MOSFET的内阻RDS和流过的最大电流IF，计算出MOSFET消耗的最大功率PD；
2）接着根据MOSFET消耗的最大功率PD和结温计算出MOSFET的热阻θ_{JA}；
3）然后根据MOSFET的热阻θ_{JA}和铜箔面积与热阻关系图计算出铺铜的面积；
4）最后根据计算出的铺铜面积设计完成电路板的PCB布线。
接下来详细介绍计算和设计贴片型功率MOSFET的PCB铺铜面积过程：
第一步：计算MOSFET的损耗功率
MOSFET是功率开通器件，当MOSFET开通时，会有大电流通过MOSFET，内阻会消耗功率，管芯发出的热量通过封装材料传导到管壳，经管壳传到敷铜板散热面，再由散热面传到环境空气中。
P8B30HP2是新电元（SHINDENGEN）公司推出的一款针对工业化应用的N沟道MOSFET，通过手册可以看出其最大漏极/源极电压VDSS（雪崩击穿电压）为300.0V，最大漏极持续电流（DC）Id为8.0A，开通内阻P8B30HP2的RDS为0.43Ω。
图3 MOSFET管P8B30HP2的参数手册
开关电源的输入功率为150W，输入额定电压为110VDC，计算出输入MOSFET的电流为：
IF= PN/UN=150/110=1.36A
根据P8B30HP2的手册得出内阻RDS为0.43Ω，计算出输入MOSFET的损耗功率为：
PD= IF2*RDS=1.36*1.36*0.43=0.8W
因此计算MOSFET的损耗功率为0.8W。
第二步：计算MOSFET的热阻
上一步中，已经计算出MOSFET的损耗功率为0.8W，接下来根据损耗功率计算MOSFET的热阻。
开关电源设计项目的电路板PCB基材为FR-4材料，铜箔的附着强度和工作温度较高，一般PCB允许温度为260℃，但实际使用的PCB温度最高时不可超过125℃。
图4 PCB铜箔厚度、走线宽度和电流的关系表
开关电源设计项目的FR4材料最高温度为125℃，MOSFET的结温最高温度为150℃，环境温度最高为85℃，根据图4中PCB铜箔厚度、走线宽度和电流的关系表，计算出MOSFET的热阻：
θ_{JA}={T_{j}-T_{A}}/{P_{D_{max}} （℃/W）
=（125-85）/0.8
=50℃/W
因此计算MOSFET的热阻θ_{JA}为50℃/W。
第三步：计算MOSFET的PCB铺铜面积
接下来根据MOSFET的热阻θ_{JA}和铜箔面积与热阻关系图，就可以计算出PCB需要铺铜的面积。
如图5所示，根据MOSFET热阻手册PCB铜箔面积与热阻关系图曲线可以看出，PCB材料采用FR4材料，铺铜厚度为70um时，铺铜面积越大，散热能力越强，因而热阻越小。
图5 PCB铜箔面积与热阻关系图
根据热阻曲线可以看出，铺铜面积为1 cm2 时，对应的热阻为50℃/W。因此在PCB设计时，MOSFET的铺铜面积最少达到为1 cm2 ，才能满足MISFET的散热要求。
第四步：完成PCB中MOSFET的铺铜设计
根据上述计算，铺铜厚度为70um，也就是2OZ时，最少铺铜面积为1cm2 ，才可以满足项目中MOSFET的散热要求。
实际完成MOSFET的铺铜散热设计电路板PCB如图6所示，按照PCB设计规范进行设计，完成MOSFET散热用的大面积铺铜，铺铜厚度为3OZ，普通面积为2cm2，并进行了去绿油处理，大大增强了其散热能力。
图6 贴片MOSFET铺铜实际PCB板
实际PCB电路板设计中，贴片型MOSFET不用安装散热器，采用PCB大面积铺铜进行MOSFET功率损耗散热，不仅能够节省PCB面积，而且效率高，使得开关电源稳定运行。在实际设计中还需要以下注意事项：
1）铜皮作导线通过大电流时，铜箔宽度的载流量应参考表中的数值降额50%
2）PCB顶层、底层铺铜，增加过孔，加强散热
3）PCB去绿油处理，增强散热
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