如何在Hot Swap電路設(shè)計中構(gòu)建MOSFET的安全工作區(qū)

簡介

Hot Swap?電路設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的方面通常是驗證不會超過MOSFET的安全工作區(qū)（SOA）。與LTspice IV ?一起分發(fā)的SOAtherm工具簡化了這項任務(wù)，使電路設(shè)計人員能夠立即評估應(yīng)用的SOA要求以及所選N溝道MOSFET的適用性。

SOAtherm可能需要改變您對SOA的看法。 SOAtherm-NMOS模型的輸出是MOSFET的模擬硅片溫度。作為電路設(shè)計人員，我們已經(jīng)習(xí)慣于在電壓，電流和時間方面考慮SOA。很容易忘記SOA是由MOSFET的峰值管芯溫度決定的。

驗證熱插拔設(shè)計不會超過MOSFET的功能是高功率水平的挑戰(zhàn)。幸運的是，熱行為和SOA可以在諸如LTspice的電路仿真器中建模。 LTspice中包含的SOAtherm-NMOS符號包含由凌力爾特公司開發(fā)的MOSFET熱模型集合，以簡化此任務(wù)。這些熱模型可用于驗證MOSFET的最大芯片溫度是否超過，即使在Spirito區(qū)域，允許電流在高漏極 - 源極電壓下呈指數(shù)下降。理論上，SOAtherm報告了MOSFET芯片上最熱點的溫度。 SOAtherm模型可預(yù)測MOSFET的溫度，而不會影響電路仿真的電氣行為。

SOAtherm模型基于MOSFET的數(shù)據(jù)表信息，因此，僅與制造商的數(shù)據(jù)一樣準確。設(shè)計具有足夠的額外余量非常重要，因為MOSFET制造商提供的SOA曲線通常是“典型”數(shù)字而沒有足夠的降額來解釋部件間的變化。

在我們之前發(fā)出警告開始SOAtherm教程：不要相信顯示并行MOSFET共享SOA的模擬。這僅適用于MOSFET完美匹配的電路仿真器的理想世界。在現(xiàn)實世界中，MOSFET之間將存在部件間的差異，并且一個MOSFET可能會耗盡所有電流。在SOAtherm中使用并聯(lián)MOSFET時，請檢查一組MOSFET中的每個MOSFET是否能夠自行處理整個SOA事件。例外情況是每個并聯(lián)MOSFET都存在單獨的電流限制，防止任何單個MOSFET失控。

教程

以下教程需要大約15分鐘完成并假設(shè)LTspice操作的基本知識。通常，在LTspice原理圖中將SOAtherm-NMOS符號放置在MOSFET的頂部，并且在 Tc 和 T j處觀察外殼溫度和硅芯片溫度 分別。

首先打開本頁右欄中的 SOAtherm-NMOS示例原理圖。

運行此模擬。它在輸出端逐步通過四種不同的負載條件：1Ω，10Ω，50Ω和100Ω。單擊輸出節(jié)點時，應(yīng)看到以下波形。輸出成功上電至10Ω，50Ω和100Ω負載。在1Ω時，它檢測輸出端的過載并且不會完全上升。它每1毫秒重試一次。

按 F2 并選擇 SOAtherm-NMOS 符號。

現(xiàn)在，添加兩個命名網(wǎng)絡(luò)， Tj-FET 和 Tc-FET，并將這些連接到SOAtherm-NMOS符號的Tj和Tc引腳。您可以使用 F3 添加電線，使用 F4 插入標簽網(wǎng)。網(wǎng)名是不重要的，它可以是任何東西。

再次運行模擬并繪制Tj-FET節(jié)點的電壓。 Tj-FET節(jié)點處的電壓表示以℃為單位的結(jié)溫。在此模擬中，Tj-FET溫度最高可達132°C，從85°C開始。為什么它從85°C開始？此符號中的環(huán)境溫度默認為85°C。接下來，我們將環(huán)境溫度更改為70°C。

右鍵單擊符號并將Tambient = 85值更改為 Tambient = 70 ?；蛘撸蜷_ SOAtherm-NMOS Tutorial 2 ，這已經(jīng)完成了。

再次運行模擬，您將看到峰值結(jié)溫現(xiàn)在為123 °C。

根據(jù)數(shù)據(jù)表，PSMN4R8100BSE MOSFET允許的最大結(jié)溫為175°C。大多數(shù)MOSFET的最高結(jié)溫為150°C或175°C。

這個模擬向我們展示了什么？首先，最高結(jié)溫低于175°C，因此這符合數(shù)據(jù)表中的SOA限制，最壞情況下的負載條件導(dǎo)致結(jié)溫升高50°C。如前所述，SOA制造商數(shù)據(jù)表對SOA的限制通常是需要額外設(shè)計余量的典型值，以避免將MOSFET推向其額定限值的邊緣。

讓我們再嘗試一次測試。將GATE電容從10nF更改為100nF，然后再次運行模擬。

觀察Tj-FET波形。

您將看到最大值當負載為1歐姆時，MOSFET的溫度現(xiàn)在超過300°C。顯然，這不是一個好主意。 GATE上的緩慢斜坡導(dǎo)致MOSFET發(fā)熱，但它尚未處于LTC4260定時器開始運行的電流限制。

將電容器更改回10nF，然后再次運行模擬。這次看一下Tc-FET節(jié)點。這是MOSFET的外殼溫度。在啟用1ohm負載和自動重試的情況下，每次重試時外殼溫度都會升高。如果這是應(yīng)用程序中的可能情況，請禁用自動重試，或確保PCB布局/風扇提供足夠的冷卻。下一個“高級”部分將顯示如何調(diào)整R θJA參數(shù)以考慮改善PCB和氣流冷卻。

建議您同時打開 LTspice SOAtherm Model Index Speadsheet ，其中包含支持的MOSFET列表以及模擬SOA和數(shù)據(jù)表SOA的圖表。此外，電子表格允許通過RDS（ON），最大VDS，最大ID或SOA額定值方便地對MOSFET進行分類。）最后，不要忘記雖然模擬是一種有用的工具，但它們不能替代焊料和示波器。

高級

每個SOAtherm-NMOS庫模型都包含MOSFET制造商數(shù)據(jù)表中的defaultR θJA值。必要時，可以通過添加 RthetaJA 屬性來更改R θJA（請參閱下面的組件屬性編輯器示例）。有關(guān)R θJA的電路板面積和冷卻效果的示例，請參閱 LT3080數(shù)據(jù)表部分散熱考慮因素。

SOAtherm-NMOS庫模型不承擔PCB或外部散熱器的任何散熱問題。它們僅包括由MOSFET內(nèi)部的銅片/焊盤引起的散熱。 “Cheatsink”參數(shù)可用于向模型添加額外的散熱。對于Cheatsink，每1mm 3 銅導(dǎo)致0.00345F。例如，500mm 3 銅散熱器導(dǎo)致Cheatsink = 1.7?；蛘撸梢栽谠韴D的Tc引腳上連接R和C，它們將與內(nèi)部組件并行顯示。

練習(xí)

添加 RthetaJA = 10 < / em>到上一個原理圖中的SOAtherm符號的屬性，并使用 .tran 0 60 0 再次運行模擬60秒。如果您在完成這些步驟時遇到問題，請打開原理圖 SOAtherm-NMOS Tutorial 3

這次Tc-FET的外殼溫度升至25°C以上周圍。這是因為MOSFET在重試期間平均耗散2.5W，R θJA為10C / W.