如何在Hot Swap电路设计中构建MOSFET的安全工作区

简介

Hot Swap™电路设计中最具挑战性的方面通常是验证不会超过MOSFET的安全工作区（SOA）。与LTspice IV ®一起分发的SOAtherm工具简化了这项任务，使电路设计人员能够立即评估应用的SOA要求以及所选N沟道MOSFET的适用性。

SOAtherm可能需要改变您对SOA的看法。 SOAtherm-NMOS模型的输出是MOSFET的模拟硅片温度。作为电路设计人员，我们已经习惯于在电压，电流和时间方面考虑SOA。很容易忘记SOA是由MOSFET的峰值管芯温度决定的。

验证热插拔设计不会超过MOSFET的功能是高功率水平的挑战。幸运的是，热行为和SOA可以在诸如LTspice的电路仿真器中建模。 LTspice中包含的SOAtherm-NMOS符号包含由凌力尔特公司开发的MOSFET热模型集合，以简化此任务。这些热模型可用于验证MOSFET的最大芯片温度是否超过，即使在Spirito区域，允许电流在高漏极 - 源极电压下呈指数下降。理论上，SOAtherm报告了MOSFET芯片上最热点的温度。 SOAtherm模型可预测MOSFET的温度，而不会影响电路仿真的电气行为。

SOAtherm模型基于MOSFET的数据表信息，因此，仅与制造商的数据一样准确。设计具有足够的额外余量非常重要，因为MOSFET制造商提供的SOA曲线通常是“典型”数字而没有足够的降额来解释部件间的变化。

在我们之前发出警告开始SOAtherm教程：不要相信显示并行MOSFET共享SOA的模拟。这仅适用于MOSFET完美匹配的电路仿真器的理想世界。在现实世界中，MOSFET之间将存在部件间的差异，并且一个MOSFET可能会耗尽所有电流。在SOAtherm中使用并联MOSFET时，请检查一组MOSFET中的每个MOSFET是否能够自行处理整个SOA事件。例外情况是每个并联MOSFET都存在单独的电流限制，防止任何单个MOSFET失控。

教程

以下教程需要大约15分钟完成并假设LTspice操作的基本知识。通常，在LTspice原理图中将SOAtherm-NMOS符号放置在MOSFET的顶部，并且在 Tc 和 T j处观察外壳温度和硅芯片温度 分别。

首先打开本页右栏中的 SOAtherm-NMOS示例原理图。

运行此模拟。它在输出端逐步通过四种不同的负载条件：1Ω，10Ω，50Ω和100Ω。单击输出节点时，应看到以下波形。输出成功上电至10Ω，50Ω和100Ω负载。在1Ω时，它检测输出端的过载并且不会完全上升。它每1毫秒重试一次。

按 F2 并选择 SOAtherm-NMOS 符号。

现在，添加两个命名网络， Tj-FET 和 Tc-FET，并将这些连接到SOAtherm-NMOS符号的Tj和Tc引脚。您可以使用 F3 添加电线，使用 F4 插入标签网。网名是不重要的，它可以是任何东西。

再次运行模拟并绘制Tj-FET节点的电压。 Tj-FET节点处的电压表示以℃为单位的结温。在此模拟中，Tj-FET温度最高可达132°C，从85°C开始。为什么它从85°C开始？此符号中的环境温度默认为85°C。接下来，我们将环境温度更改为70°C。

右键单击符号并将Tambient = 85值更改为 Tambient = 70 。或者，打开 SOAtherm-NMOS Tutorial 2 ，这已经完成了。

再次运行模拟，您将看到峰值结温现在为123 °C。

根据数据表，PSMN4R8100BSE MOSFET允许的最大结温为175°C。大多数MOSFET的最高结温为150°C或175°C。

这个模拟向我们展示了什么？首先，最高结温低于175°C，因此这符合数据表中的SOA限制，最坏情况下的负载条件导致结温升高50°C。如前所述，SOA制造商数据表对SOA的限制通常是需要额外设计余量的典型值，以避免将MOSFET推向其额定限值的边缘。

让我们再尝试一次测试。将GATE电容从10nF更改为100nF，然后再次运行模拟。

观察Tj-FET波形。

您将看到最大值当负载为1欧姆时，MOSFET的温度现在超过300°C。显然，这不是一个好主意。 GATE上的缓慢斜坡导致MOSFET发热，但它尚未处于LTC4260定时器开始运行的电流限制。

将电容器更改回10nF，然后再次运行模拟。这次看一下Tc-FET节点。这是MOSFET的外壳温度。在启用1ohm负载和自动重试的情况下，每次重试时外壳温度都会升高。如果这是应用程序中的可能情况，请禁用自动重试，或确保PCB布局/风扇提供足够的冷却。下一个“高级”部分将显示如何调整R θJA参数以考虑改善PCB和气流冷却。

建议您同时打开 LTspice SOAtherm Model Index Speadsheet ，其中包含支持的MOSFET列表以及模拟SOA和数据表SOA的图表。此外，电子表格允许通过RDS（ON），最大VDS，最大ID或SOA额定值方便地对MOSFET进行分类。）最后，不要忘记虽然模拟是一种有用的工具，但它们不能替代焊料和示波器。

高级

每个SOAtherm-NMOS库模型都包含MOSFET制造商数据表中的defaultR θJA值。必要时，可以通过添加 RthetaJA 属性来更改R θJA（请参阅下面的组件属性编辑器示例）。有关R θJA的电路板面积和冷却效果的示例，请参阅 LT3080数据表部分散热考虑因素。

SOAtherm-NMOS库模型不承担PCB或外部散热器的任何散热问题。它们仅包括由MOSFET内部的铜片/焊盘引起的散热。 “Cheatsink”参数可用于向模型添加额外的散热。对于Cheatsink，每1mm 3 铜导致0.00345F。例如，500mm 3 铜散热器导致Cheatsink = 1.7。或者，您可以在原理图的Tc引脚上连接R和C，它们将与内部组件并行显示。

练习

添加 RthetaJA = 10 < / em>到上一个原理图中的SOAtherm符号的属性，并使用 .tran 0 60 0 再次运行模拟60秒。如果您在完成这些步骤时遇到问题，请打开原理图 SOAtherm-NMOS Tutorial 3

这次Tc-FET的外壳温度升至25°C以上周围。这是因为MOSFET在重试期间平均耗散2.5W，R θJA为10C / W.