電源設(shè)計(jì)小貼士28：估算熱插拔MOSFET的瞬態(tài)溫升——第1部分

在本電源設(shè)計(jì)小貼士以及下次的小貼士中，我們將研究一種估算熱插拔 MOSFET 溫升的簡單方法。熱插拔電路用于將電容輸入設(shè)備插入通電的電壓總線時(shí)限制浪涌電流。這樣做的目的是防止總線電壓下降以及連接設(shè)備運(yùn)行中斷。通過使用一個(gè)串聯(lián)組件逐漸延長新連接電容負(fù)載的充電時(shí)間，熱插拔器件可以完成這項(xiàng)工作。結(jié)果，該串聯(lián)組件具有巨大的損耗，并在充電事件發(fā)生期間產(chǎn)生溫升。大多數(shù)熱插拔設(shè)備的制造廠商都建議您查閱安全工作區(qū)域 (SOA) 曲線，以便設(shè)備免受過應(yīng)力損害。圖 1 所示 SOA 曲線顯示了可接受能量區(qū)域和設(shè)備功耗，其一般為一個(gè)非常保守的估計(jì)。MOSFET 的主要憂慮是其結(jié)溫不應(yīng)超出最大額定值。該曲線以圖形的形式向您表明，由于設(shè)備散熱電容的存在它可以處理短暫的高功耗。這樣可以幫助您開發(fā)一個(gè)精確的散熱模型，以進(jìn)行更加保守、現(xiàn)實(shí)的估算。圖 1 MOSFET SOA 曲線表明了允許能耗的起始點(diǎn)在《電源設(shè)計(jì)小貼士 9》中，我們討論了一種電氣等效電路，用于估算系統(tǒng)的散熱性能。我們提出在散熱與電流、溫度與電壓以及散熱與電阻之間均存在模擬電路。在本設(shè)計(jì)小貼士中，我們將增加散熱與電容之間的模擬電路。如果將熱量加到大量的材料之中，其溫升可以根據(jù)能量 (Q)、質(zhì)量 (m) 和比熱 (c) 計(jì)算得到，即：
能量正好是功率隨時(shí)間變化的積分：然后合并上述兩個(gè)方程式，我們得到我們的電容散熱模擬 (m*c) 如下：表 1 列出了一些常見材料及其比熱和密度，其或許有助于建模熱插拔器件內(nèi)部的散熱電容。材料比熱 (J/(g*^oC)密度 (g/cm³)硅0.72.3熟銅0.48鋁0.92.7環(huán)氧樹脂11.4表 1 常見材料的物理屬性只需通過估算您建模的各種系統(tǒng)組件的物理尺寸，便可得到散熱電容。散熱能力等于組件體積、密度和比熱的乘積。這樣便可以使用圖 2 所示的模型結(jié)構(gòu)。該模型以左上角一個(gè)電流源作為開始，其為系統(tǒng)增加熱量的模擬。電流流入裸片的熱容及其熱阻。熱量從裸片流入引線框和封裝灌封材料。流經(jīng)引線框的熱量再流入封裝和散熱片之間的接觸面。熱量從散熱片流入熱環(huán)境中。遍及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓代表高于環(huán)境的溫升。圖 2 將散熱電容加到 DC 電氣模擬熱阻和熱容的粗略估算顯示在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。該模型可以進(jìn)行環(huán)境和 DC 模擬，可幫助根據(jù)制造廠商提供的 SOA 曲線圖進(jìn)行一些保守計(jì)算。下次，我們將繼續(xù)討論熱插拔旁路組件，敬請期待。我們將對等效電路中的一些散熱時(shí)間恒量進(jìn)行討論。本文及其他電源解決方案相關(guān)的更多詳情，敬請?jiān)L問www.ti.com.cn/power。