电源设计小贴士 29：估算热插拔 MOSFET 的瞬态温升——第 2 部分

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)

在本《电源设计小贴士》中，我们将最终对一种估算热插拔 MOSFET 温升的简单方法进行研究。在《电源设计小贴士28》中，我们讨论了如何设计温升问题的电路类似方法。我们把热源建模成了电流源。根据系统组件的物理属性，计算得到热阻和热容。遍及整个网络的各种电压代表各个温度。

本文中，我们把图 1 所示模型的瞬态响应与图 3 所示公开刊发的安全工作区域（SOA 曲线）部分进行了对比。


图 1 将散热容加到 DC 电气模拟电路上

根据 CSD17312Q5 MOSFET、引线框以及贴装 MOSFET 的印制电路板 (PWB) 的物理属性，估算得到图 1 的各个值。在查看模型时，可以确定几个重要的点。PWB 到环境电阻（105oC/W）为到环境的最低电阻通路，其设定了电路的允许 DC 损耗。将温升限制在 100oC，可将电路的允许 DC 损耗设定为 1 瓦。其次，存在一个 10 秒钟的 PWB 相关时间恒量，所以其使电路板完全发热的时间相当长。因此，电路可以承受更大的电脉冲。例如，在一次短促的脉冲期间，所有热能对芯片热容充电，同时在更小程度上引线框对热容充电。通过假设所有能量都存储于裸片电容中并求解方程式(dV = I * dt / C)得到 I，我们可以估算出芯片电容器可以存储多少能量。结果是，I =dV * C /dt = 100 oC * 0.013F / 1ms =1300 瓦，其与图 3 的 SOA 曲线图相一致。

图 2 显示了图 1 的仿真结果以及由此产生的电压响应。其功耗为 80 瓦，不同的时间恒量一眼便能看出。绿色曲线为裸片温度，其迅速到达一个 PWB 相关恒定电压（蓝色曲线）。您还可以看到一个引线框的第二时间恒量（红色曲线），其稍微有一些滞后。最后，您还可以看见 PWB 的近似线性充电，因为大多数热能（电流）都流入其散热电容。


图 2 热能流入 PWB 时明确显示的三个时间恒量

我们进行了一系列的仿真，旨在验证模型的准确性。图 3 显示了这些仿真的结果。红色标注表示每次仿真的结果。将一个固定电源（电流）放入电路中，相应间隔以后对裸片电压（温升）进行测量。模型始终匹配 SOA 曲线。这样做的重要性是，您可以使用该模型的同时使用不同的散热片和 PWB 参数。例如，该 SOA 数据是针对缺乏强散热能力的最小尺寸 PWB。我们可以增加电路板尺寸来降低其环境热阻，或者增加铜使用量来提供更好的热传播—最终降低温度。增加铜使用量也可以提高散热能力。


图 3 散热模型与指示点的 MOSFET CSD17312 SOA 曲线一致