电源设计小贴士28：一种估算热插拔MOSFET温升的简单方法

在本电源设计小贴士中，我们将研究一种估算热插拔MOSFET温升的简单方法。热插拔电路用于将电容输入设备插入通电的电压总线时限制浪涌电流。这样做的目的是防止总线电压下降以及连接设备运行中断。通过使用一个串联组件逐渐延长新连接电容负载的充电时间，热插拔器件可以完成这项工作。结果，该串联组件具有巨大的损耗，并在充电事件发生期间产生温升。大多数热插拔设备的制造厂商都建议您查阅安全工作区域(SOA)曲线，以便设备免受过应力损害。图1所示SOA曲线显示了可接受能量区域和设备功耗，其一般为一个非常保守的估计。MOSFET的主要忧虑是其结温不应超出最大额定值。该曲线以图形的形式向您表明，由于设备散热电容的存在它可以处理短暂的高功耗。这样可以帮助您开发一个精确的散热模型，以进行更加保守、现实的估算。

图1：MOSFET SOA曲线表明了允许能耗的起始点。

在《电源设计小贴士9》中，我们讨论了一种电气等效电路，用于估算系统的散热性能。我们提出在散热与电流、温度与电压以及散热与电阻之间均存在模拟电路。在本设计小贴士中，我们将增加散热与电容之间的模拟电路。如果将热量加到大量的材料之中，其温升可以根据能量(Q)、质量(m)和比热(c)计算得到，即：

表1列出了一些常见材料及其比热和密度，其或许有助于建模热插拔器件内部的散热电容。

表1：常见材料的物理属性。

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只需通过估算您建模的各种系统组件的物理尺寸，便可得到散热电容。散热能力等于组件体积、密度和比热的乘积。这样便可以使用图2所示的模型结构。

该模型以左上角一个电流源作为开始，其为系统增加热量的模拟。电流流入裸片的热容及其热阻。热量从裸片流入引线框和封装灌封材料。流经引线框的热量再流入封装和散热片之间的接触面。热量从散热片流入热环境中。遍及整个网络的电压代表高于环境的温升。

图2：将散热电容加到DC电气模拟。

热阻和热容的粗略估算显示在整个网络中。该模型可以进行环境和DC模拟，可帮助根据制造厂商提供的SOA曲线图进行一些保守计算。姐下来，我们将继续讨论热插拔旁路组件，将对等效电路中的一些散热时间恒量进行讨论。

上文中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。

接下来，我们把图3所示模型的瞬态响应与图5所示公开刊发的安全工作区域(SOA曲线)部分进行了对比。

图3：将散热容加到DC电气模拟电路上。

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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(105℃/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100℃，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℃×0.013F/1ms=1300W，其与图5的SOA曲线图相一致。

图4显示了图3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4：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5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5：散热模型与指示点的MOSFET CSD17312 SOA曲线一致。

作者：Robert Kollman
德州仪器(TI)