電源設(shè)計(jì)小貼士 29：估算熱插拔 MOSFET 的瞬態(tài)溫升

在本《電源設(shè)計(jì)小貼士》中，我們將最終對(duì)一種估算熱插拔 MOSFET 溫升的簡(jiǎn)單方法進(jìn)行研究。在《電源設(shè)計(jì)小貼士28》中，我們討論了如何設(shè)計(jì)溫升問題的電路類似方法。我們把熱源建模成了電流源。根據(jù)系統(tǒng)組件的物理屬性，計(jì)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。

本文中，我們把圖 1 所示模型的瞬態(tài)響應(yīng)與圖 3 所示公開刊發(fā)的安全工作區(qū)域（SOA 曲線）部分進(jìn)行了對(duì)比。

圖 1 將散熱容加到 DC 電氣模擬電路上

根據(jù) CSD17312Q5 MOSFET、引線框以及貼裝 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（105oC/W）為到環(huán)境的最低電阻通路，其設(shè)定了電路的允許 DC 損耗。將溫升限制在 100oC，可將電路的允許 DC 損耗設(shè)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(dāng)長(zhǎng)。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(duì)芯片熱容充電，同時(shí)在更小程度上引線框?qū)崛莩潆?。通過假設(shè)所有能量都存儲(chǔ)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(chǔ)多少能量。結(jié)果是，I =dV * C /dt = 100 oC * 0.013F / 1ms =1300 瓦，其與圖 3 的 SOA 曲線圖相一致。

圖 2 顯示了圖 1 的仿真結(jié)果以及由此產(chǎn)生的電壓響應(yīng)。其功耗為 80 瓦，不同的時(shí)間恒量一眼便能看出。綠色曲線為裸片溫度，其迅速到達(dá)一個(gè) PWB 相關(guān)恒定電壓（藍(lán)色曲線）。您還可以看到一個(gè)引線框的第二時(shí)間恒量（紅色曲線），其稍微有一些滯后。最后，您還可以看見 PWB 的近似線性充電，因?yàn)榇蠖鄶?shù)熱能（電流）都流入其散熱電容。

圖 2 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(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。圖 3 顯示了這些仿真的結(jié)果。紅色標(biāo)注表示每次仿真的結(jié)果。將一個(gè)固定電源（電流）放入電路中，相應(yīng)間隔以后對(duì)裸片電壓（溫升）進(jìn)行測(cè)量。模型始終匹配 SOA 曲線。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(shù)。例如，該 SOA 數(shù)據(jù)是針對(duì)缺乏強(qiáng)散熱能力的最小尺寸 PWB。我們可以增加電路板尺寸來降低其環(huán)境熱阻，或者增加銅使用量來提供更好的熱傳播—最終降低溫度。增加銅使用量也可以提高散熱能力。

圖 3 散熱模型與指示點(diǎn)的 MOSFET CSD17312 SOA 曲線一致

下次，我們將討論獲得隔離偏置電源的一種簡(jiǎn)單電路，敬請(qǐng)期待。