在本電源設計小貼士中，我們將研究一種估算熱插拔MOSFET溫升的簡(jiǎn)單方法。熱插拔電路用于將電容輸入設備插入通電的電壓總線(xiàn)時(shí)限制浪涌電流。這樣做的目的是防止總線(xiàn)電壓下降以及連接設備運行中斷。通過(guò)使用一個(gè)串聯(lián)組件逐漸延長(cháng)新連接電容負載的充電時(shí)間，熱插拔器件可以完成這項工作。結果，該串聯(lián)組件具有巨大的損耗，并在充電事件發(fā)生期間產(chǎn)生溫升。大多數熱插拔設備的制造廠(chǎng)商都建議您查閱安全工作區域(SOA)曲線(xiàn)，以便設備免受過(guò)應力損害。圖1所示SOA曲線(xiàn)顯示了可接受能量區域和設備功耗，其一般為一個(gè)非常保守的估計。MOSFET的主要憂(yōu)慮是其結溫不應超出最大額定值。該曲線(xiàn)以圖形的形式向您表明，由于設備散熱電容的存在它可以處理短暫的高功耗。這樣可以幫助您開(kāi)發(fā)一個(gè)精確的散熱模型，以進(jìn)行更加保守、現實(shí)的估算。
圖1：MOSFET SOA曲線(xiàn)表明了允許能耗的起始點(diǎn)。
在《電源設計小貼士9》中，我們討論了一種電氣等效電路，用于估算系統的散熱性能。我們提出在散熱與電流、溫度與電壓以及散熱與電阻之間均存在模擬電路。在本設計小貼士中，我們將增加散熱與電容之間的模擬電路。如果將熱量加到大量的材料之中，其溫升可以根據能量(Q)、質(zhì)量(m)和比熱(c)計算得到，即：
表1列出了一些常見(jiàn)材料及其比熱和密度，其或許有助于建模熱插拔器件內部的散熱電容。
表1：常見(jiàn)材料的物理屬性。
只需通過(guò)估算您建模的各種系統組件的物理尺寸，便可得到散熱電容。散熱能力等于組件體積、密度和比熱的乘積。這樣便可以使用圖2所示的模型結構。
該模型以左上角一個(gè)電流源作為開(kāi)始，其為系統增加熱量的模擬。電流流入裸片的熱容及其熱阻。熱量從裸片流入引線(xiàn)框和封裝灌封材料。流經(jīng)引線(xiàn)框的熱量再流入封裝和散熱片之間的接觸面。熱量從散熱片流入熱環(huán)境中。遍及整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的電壓代表高于環(huán)境的溫升。
圖2：將散熱電容加到DC電氣模擬。
熱阻和熱容的粗略估算顯示在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中。該模型可以進(jìn)行環(huán)境和DC模擬，可幫助根據制造廠(chǎng)商提供的SOA曲線(xiàn)圖進(jìn)行一些保守計算。姐下來(lái)，我們將繼續討論熱插拔旁路組件，將對等效電路中的一些散熱時(shí)間恒量進(jìn)行討論。
上文中我們把熱源建模成了電流源。根據系統組件的物理屬性，計算得到熱阻和熱容。遍及整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的各種電壓代表各個(gè)溫度。
接下來(lái)，我們把圖3所示模型的瞬態(tài)響應與圖5所示公開(kāi)刊發(fā)的安全工作區域(SOA曲線(xiàn))部分進(jìn)行了對比。
圖3：將散熱容加到DC電氣模擬電路上。
根據CSD17312Q5 MOSFET、引線(xiàn)框以及貼裝MOSFET的印制電路板(PWB)的物理屬性，估算得到圖1的各個(gè)值。在查看模型時(shí)，可以確定幾個(gè)重要的點(diǎn)。PWB到環(huán)境電阻(105℃/W)為到環(huán)境的最低電阻通路，其設定了電路的允許DC損耗。將溫升限制在100℃，可將電路的允許DC損耗設定為1瓦。其次，存在一個(gè)10秒鐘的PWB相關(guān)時(shí)間恒量，所以其使電路板完全發(fā)熱的時(shí)間相當長(cháng)。因此，電路可以承受更大的電脈沖。例如，在一次短促的脈沖期間，所有熱能對芯片熱容充電，同時(shí)在更小程度上引線(xiàn)框對熱容充電。通過(guò)假設所有能量都存儲于裸片電容中并求解方程式(dV=I×dt/C)得到I，我們可以估算出芯片電容器可以存儲多少能量。結果是，I=dV×C/dt=100℃×0.013F/1ms=1300W，其與圖5的SOA曲線(xiàn)圖相一致。
圖4顯示了圖3的仿真結果以及由此產(chǎn)生的電壓響應。其功耗為80瓦，不同的時(shí)間恒量一眼便能看出。綠色曲線(xiàn)為裸片溫度，其迅速到達一個(gè)PWB相關(guān)恒定電壓(藍色曲線(xiàn))。您還可以看到一個(gè)引線(xiàn)框的第二時(shí)間恒量(紅色曲線(xiàn))，其稍微有一些滯后。最后，您還可以看見(jiàn)PWB的近似線(xiàn)性充電，因為大多數熱能(電流)都流入其散熱電容。
圖4：熱能流入PWB時(shí)明確顯示的三個(gè)時(shí)間恒量。
我們進(jìn)行了一系列的仿真，旨在驗證模型的準確性。圖5顯示了這些仿真的結果。紅色標注表示每次仿真的結果。將一個(gè)固定電源(電流)放入電路中，相應間隔以后對裸片電壓(溫升)進(jìn)行測量。模型始終匹配SOA曲線(xiàn)。這樣做的重要性是，您可以使用該模型的同時(shí)使用不同的散熱片和PWB參數。例如，該SOA數據是針對缺乏強散熱能力的最小尺寸PWB。我們可以增加電路板尺寸來(lái)降低其環(huán)境熱阻，或者增加銅使用量來(lái)提供更好的熱傳播—最終降低溫度。增加銅使用量也可以提高散熱能力。
圖5：散熱模型與指示點(diǎn)的MOSFET CSD17312 SOA曲線(xiàn)一致。
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