在本電源設計小貼士中，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備插入通電的電壓總線時限制浪涌電流。這樣做的目的是防止總線電壓下降以及連接設備運行中斷。通過使用一個串聯組件逐漸延長新連接電容負載的充電時間，熱插拔器件可以完成這項工作。結果，該串聯組件具有巨大的損耗，并在充電事件發生期間產生溫升。大多數熱插拔設備的制造廠商都建議您查閱安全工作區域(SOA)曲線，以便設備免受過應力損害。圖1所示SOA曲線顯示了可接受能量區域和設備功耗，其一般為一個非常保守的估計。MOSFET的主要憂慮是其結溫不應超出最大額定值。該曲線以圖形的形式向您表明，由于設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一個精確的散熱模型，以進行更加保守、現實的估算。
圖1：MOSFET SOA曲線表明了允許能耗的起始點。
在《電源設計小貼士9》中，我們討論了一種電氣等效電路，用于估算系統的散熱性能。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。在本設計小貼士中，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，其溫升可以根據能量(Q)、質量(m)和比熱(c)計算得到，即：
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部的散熱電容。
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所示的模型結構。
該模型以左上角一個電流源作為開始，其為系統增加熱量的模擬。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境中。遍及整個網絡的電壓代表高于環境的溫升。
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網絡中。該模型可以進行環境和DC模擬，可幫助根據制造廠商提供的SOA曲線圖進行一些保守計算。姐下來，我們將繼續討論熱插拔旁路組件，將對等效電路中的一些散熱時間恒量進行討論。
上文中我們把熱源建模成了電流源。根據系統組件的物理屬性，計算得到熱阻和熱容。遍及整個網絡的各種電壓代表各個溫度。
接下來，我們把圖3所示模型的瞬態響應與圖5所示公開刊發的安全工作區域(SOA曲線)部分進行了對比。
圖3：將散熱容加到DC電氣模擬電路上。
根據CSD17312Q5 MOSFET、引線框以及貼裝MOSFET的印制電路板(PWB)的物理屬性，估算得到圖1的各個值。在查看模型時，可以確定幾個重要的點。PWB到環境電阻(105℃/W)為到環境的最低電阻通路，其設定了電路的允許DC損耗。將溫升限制在100℃，可將電路的允許DC損耗設定為1瓦。其次，存在一個10秒鐘的PWB相關時間恒量，所以其使電路板完全發熱的時間相當長。因此，電路可以承受更大的電脈沖。例如，在一次短促的脈沖期間，所有熱能對芯片熱容充電，同時在更小程度上引線框對熱容充電。通過假設所有能量都存儲于裸片電容中并求解方程式(dV=I×dt/C)得到I，我們可以估算出芯片電容器可以存儲多少能量。結果是，I=dV×C/dt=100℃×0.013F/1ms=1300W，其與圖5的SOA曲線圖相一致。
圖4顯示了圖3的仿真結果以及由此產生的電壓響應。其功耗為80瓦，不同的時間恒量一眼便能看出。綠色曲線為裸片溫度，其迅速到達一個PWB相關恒定電壓(藍色曲線)。您還可以看到一個引線框的第二時間恒量(紅色曲線)，其稍微有一些滯后。最后，您還可以看見PWB的近似線性充電，因為大多數熱能(電流)都流入其散熱電容。
圖4：熱能流入PWB時明確顯示的三個時間恒量。
我們進行了一系列的仿真，旨在驗證模型的準確性。圖5顯示了這些仿真的結果。紅色標注表示每次仿真的結果。將一個固定電源(電流)放入電路中，相應間隔以后對裸片電壓(溫升)進行測量。模型始終匹配SOA曲線。這樣做的重要性是，您可以使用該模型的同時使用不同的散熱片和PWB參數。例如，該SOA數據是針對缺乏強散熱能力的最小尺寸PWB。我們可以增加電路板尺寸來降低其環境熱阻，或者增加銅使用量來提供更好的熱傳播—最終降低溫度。增加銅使用量也可以提高散熱能力。
圖5：散熱模型與指示點的MOSFET CSD17312 SOA曲線一致。
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