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

簡(jiǎn)介

Hot Swap?電路設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的方面通常是驗(yàn)證不會(huì)超過(guò)MOSFET的安全工作區(qū)（SOA）。與LTspice IV ?一起分發(fā)的SOAtherm工具簡(jiǎn)化了這項(xiàng)任務(wù)，使電路設(shè)計(jì)人員能夠立即評(píng)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(duì)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(jì)人員，我們已經(jīng)習(xí)慣于在電壓，電流和時(shí)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(yàn)證熱插拔設(shè)計(jì)不會(huì)超過(guò)MOSFET的功能是高功率水平的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)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(hào)包含由凌力爾特公司開(kāi)發(fā)的MOSFET熱模型集合，以簡(jiǎn)化此任務(wù)。這些熱模型可用于驗(yàn)證MOSFET的最大芯片溫度是否超過(guò)，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(bào)告了MOSFET芯片上最熱點(diǎn)的溫度。 SOAtherm模型可預(yù)測(cè)MOSFET的溫度，而不會(huì)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(zhǔn)確。設(shè)計(jì)具有足夠的額外余量非常重要，因?yàn)镸OSFET制造商提供的SOA曲線(xiàn)通常是“典型”數(shù)字而沒(méi)有足夠的降額來(lái)解釋部件間的變化。

在我們之前發(fā)出警告開(kāi)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(shí)世界中，MOSFET之間將存在部件間的差異，并且一個(gè)MOSFET可能會(huì)耗盡所有電流。在SOAtherm中使用并聯(lián)MOSFET時(shí)，請(qǐng)檢查一組MOSFET中的每個(gè)MOSFET是否能夠自行處理整個(gè)SOA事件。例外情況是每個(gè)并聯(lián)MOSFET都存在單獨(dú)的電流限制，防止任何單個(gè)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(shí)。通常，在LTspice原理圖中將SOAtherm-NMOS符號(hào)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(kāi)本頁(yè)右欄中的 SOAtherm-NMOS示例原理圖。

運(yùn)行此模擬。它在輸出端逐步通過(guò)四種不同的負(fù)載條件：1Ω，10Ω，50Ω和100Ω。單擊輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)看到以下波形。輸出成功上電至10Ω，50Ω和100Ω負(fù)載。在1Ω時(shí)，它檢測(cè)輸出端的過(guò)載并且不會(huì)完全上升。它每1毫秒重試一次。

按 F2 并選擇 SOAtherm-NMOS 符號(hào)。

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

再次運(yùn)行模擬并繪制Tj-FET節(jié)點(diǎn)的電壓。 Tj-FET節(jié)點(diǎn)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(dá)132°C，從85°C開(kāi)始。為什么它從85°C開(kāi)始？此符號(hào)中的環(huán)境溫度默認(rèn)為85°C。接下來(lái)，我們將環(huán)境溫度更改為70°C。

右鍵單擊符號(hào)并將Tambient = 85值更改為 Tambient = 70 ?；蛘?，打開(kāi) SOAtherm-NMOS Tutorial 2 ，這已經(jīng)完成了。

再次運(yùn)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(gè)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(fù)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(duì)SOA的限制通常是需要額外設(shè)計(jì)余量的典型值，以避免將MOSFET推向其額定限值的邊緣。

讓我們?cè)賴(lài)L試一次測(cè)試。將GATE電容從10nF更改為100nF，然后再次運(yùn)行模擬。

觀察Tj-FET波形。

您將看到最大值當(dāng)負(fù)載為1歐姆時(shí)，MOSFET的溫度現(xiàn)在超過(guò)300°C。顯然，這不是一個(gè)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(shí)器開(kāi)始運(yùn)行的電流限制。

將電容器更改回10nF，然后再次運(yùn)行模擬。這次看一下Tc-FET節(jié)點(diǎn)。這是MOSFET的外殼溫度。在啟用1ohm負(fù)載和自動(dòng)重試的情況下，每次重試時(shí)外殼溫度都會(huì)升高。如果這是應(yīng)用程序中的可能情況，請(qǐng)禁用自動(dòng)重試，或確保PCB布局/風(fēng)扇提供足夠的冷卻。下一個(gè)“高級(jí)”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(shí)打開(kāi) 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(guò)RDS（ON），最大VDS，最大ID或SOA額定值方便地對(duì)MOSFET進(jìn)行分類(lèi)。）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(jí)

每個(gè)SOAtherm-NMOS庫(kù)模型都包含MOSFET制造商數(shù)據(jù)表中的defaultR θJA值。必要時(shí)，可以通過(guò)添加 RthetaJA 屬性來(lái)更改R θJA（請(qǐng)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(qǐng)參閱 LT3080數(shù)據(jù)表部分散熱考慮因素。

SOAtherm-NMOS庫(kù)模型不承擔(dān)PCB或外部散熱器的任何散熱問(wèn)題。它們僅包括由MOSFET內(nèi)部的銅片/焊盤(pán)引起的散熱。 “Cheatsink”參數(shù)可用于向模型添加額外的散熱。對(duì)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(gè)原理圖中的SOAtherm符號(hào)的屬性，并使用 .tran 0 60 0 再次運(yùn)行模擬60秒。如果您在完成這些步驟時(shí)遇到問(wèn)題，請(qǐng)打開(kāi)原理圖 SOAtherm-NMOS Tutorial 3

這次Tc-FET的外殼溫度升至25°C以上周?chē)＿@是因?yàn)镸OSFET在重試期間平均耗散2.5W，R θJA為10C / W.