电源设计小贴士:估算热插拔 MOSFET 的瞬态温升(下)

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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 1 所示模型的瞬态响应与 3 所示公开刊发的安全工作区域(SOA 曲线)部分进行了对比。
 
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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 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 3 的 SOA 曲线图相一致。
图 2 显示了 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。
 
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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。 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。
 
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3 散热模型与指示点的 MOSFET CSD17312 SOA 曲线一致
 
下次,我们将讨论获得隔离偏置电源的一种简单电路,敬请期待。