包含熱模型的新型MOSFET PSPICE模型

1. 引言

　　散熱器在計算時會出現(xiàn)誤差，一般說來主要原因是很難精確地預(yù)先知道功率損耗，每只器件的參數(shù)參差不齊，并不是一樣的，而且在芯片上各處的溫度也是不同的。結(jié)果是，安全的裕度可能離開最優(yōu)值很遠(yuǎn)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強(qiáng)的模擬仿真工具，因此有可能在預(yù)測功率損耗和熱設(shè)計的校核方面做一些改

　　2. 熱阻

　　發(fā)散出去的功率Pd 決定於導(dǎo)熱性能，熱量流動的面積以及溫度梯度，如下式所示：

　　Pd=K*An?dT/dx (2.1)

　　式中 An 是垂直於熱量流動方向的面積，K 是熱導(dǎo)，而T是溫度。可是這個公式并沒有甚麼用處，因為面積An 的數(shù)值我們并不知道。對於一只半導(dǎo)體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示：

　　Pd=?T/Rth (2.2)

　　以及 　　Rth = ?T/ Pd (2.3)

　　其中?T 是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量，Pd 是功率損耗，而Rth 是穩(wěn)態(tài)熱阻。芯片溫度的升高可以用式(2.2) 所示的散熱特性來確定。考慮到熱阻與時間兩者之間的關(guān)系，我們可以得到下面的公式：

　　Zth(t)= Rth?[1-exp(-t/t )] (2.4)

　　其中(是所討論器件的半導(dǎo)體結(jié)至外殼之間的散熱時間常數(shù)，我們也認(rèn)為 "Pd" 是在脈沖出現(xiàn)期間的散發(fā)出去的功率。那麼，我們可以得到：

　　?T(t)=Pd? Zth(t) (2.5)

　　如果 Pd 不是常數(shù)，那麼溫度的瞬態(tài)平均值可以近似地用下式表示：

　　?T(t)=Pavg(t) ?Zth(t) (2.6)

　　其中Pavg(t) 是散發(fā)出去的平均功率。作這個假定是合情合理的，因為瞬態(tài)過程的延續(xù)時間比散熱時間常數(shù)短。由於一只MOSFET的散熱時間常數(shù)為100ms的數(shù)量級，所以一般這并不成其為問題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說明書上得到，它一般是用“單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過程的熱阻曲線”來表示。

　　圖 1 Zth(t)　瞬態(tài)熱阻

3. SPICE 的實現(xiàn)

　　本文提出的模型使用一種不同的PSPICE 模擬量行為模型(ABM)建模技術(shù)。事實上，利用這種建模方法，使用者可以用數(shù)學(xué)的方法建立模型，不必使用更多的資源。

　　可以看到，由SPICE內(nèi)的MOSFET模型，并不能以溫度結(jié)點的形式直接得到溫度。然而，可以用圖4中所示的“竅門”來解決這個問題。

　　為了做到這點，把MOSFET M1表示成為一個普通的 Level-3 MOS模型 加上一個電路。 晶體管 M1 僅僅是“感知”溫度，溫度是指通用的SPICE變量“Temp”。為了評價溫度對漏極電流的影響(由M1我們只能夠確定在溫度“Temp” 例如在 27 °C時，電流隨著漏極電壓的變化)，增加了電路 G1 。這部份電路可以看成是電流受控制

　　進(jìn)。然而，為了確保長期可靠性，運(yùn)用復(fù)雜的限流技術(shù)可以更進(jìn)一步地把最高結(jié)溫(或者最大功率損耗)維持在一個預(yù)定的數(shù)值以下。 動態(tài)負(fù)載變化所引?的任何熱響應(yīng)的改變都可以直接地進(jìn)行測量，并且用閉路控制的方法來修正。