[LTSpice] MOS管热仿真

萝卜坑

对于大部分电子工程师，热设计都是避不开的一个话题。因为最近研究LTspice的热仿真时读了一些零散的资料、文章。所以特地做了一个"热设计&仿真"的专题系列，本系列共四篇：

• MOS管SOA(Safe Operating Area)
  
• 热模型基础
  
• LTSipce MOSFET热仿真
  
• SOAtherm-NMOS库自定义第三方MOS
  

本文为此系列的第三篇

本篇主要是对ADI官方的教程进行一个翻译，原文链接​。有一些我自己的批注用【】注明。

‍
一、介绍

最具挑战性的方面通常是验证MOSFET不超过其Safe Operating Area（SOA），尤其是在高功率场景。幸运的是，LTSpice的符号库(快捷键F2调出)中有内置的SOAtherm工具对热行为和SOA进行建模，使电路设计人员能够立即评估应用电路的SOA要求和所选N沟道MOSFET的适用性。
【疑惑：NMOS可以用来仿真PMOS吗？或者说为什么没有P沟道的？知道的小伙伴，评论区告诉我哈】


​SOAtherm-NMOS模型仿真的输出是MOSFET的结温度( T_{juction} 或者叫 T_{die} )。作为电路设计师，我们已经习惯于在电压、电流和时间等方面考虑SOA。很容易忘记SOA取决于MOSFET的峰值结温度。
Soatherm-NMOS原理图符号包含了ADI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最大结温度不超过，即使在Spirito区域(允许的电流在高VDS电压下呈指数下降)。从理论上讲，SoAtherm报告了MOSFET die上最热点的温度。SOAtherm模型仅预测MOSFET的温度，而不会影响正常电路仿真的电气行为。
SOAtherm模型基于MOSFET的datasheet信息，因此仅与制造商的数据一样准确。重要的是要有大量额外的margin设计，因为MOSFET制造商提供的SOA曲线通常是“典型”的数字，而没有足够的降额来考虑part-to-part variation。
在开始SOAtherm教程之前，ADI官方教程中有一个警告：不要相信show parallel MOSFETs sharing SOA equally的仿真。仅在MOSFET完美匹配的电路模拟器的理想世界中，这才是正确的。在现实世界中，MOSFET之间将有part-to-part variation，一个MOSFET可能会带走所有的电流。在SoAtherm中使用并联MOSFET时，请检查MOSFET库中的每个MOSFET是否能够自行处理整个SOA事件。有一个例外，就是每个parallel MOSFET都存在单个电流限制，防止任何单个MOSFET runaway(翻译为热失控比较妥当)。

二、SOAtherm-NMOS符号

下面的教程大约需要15分钟才能完成，并假定拥有对LTSpice操作的基本知识。
2.1 第一步：准备好待仿真的应用电路

应用电路部分执行的是标准的Spice瞬态仿真(时域)，其中MOS的ID、VDS这些功率信息会作为热仿真重要输入！因此保证应用电路搭建准确，也很重要。
考虑到大家手头可能没有现场的电路，可以下载ADI官网的SOAtherm-NMOS Example。【这是一个ADI的热插拔控制器的demo电路】



LTC4260-example.asc​

运行此仿真。通过steps命令调节电阻R8的值，模拟在输出处四个不同的负载条件：1Ω，10Ω，50Ω，100Ω。单击输出节点时，应该看到以下波形。10Ω, 50Ω, 100Ω 负载条件下电压成功起来了，1Ω情况下LTC4260芯片检测到过负荷，没有让电压起来，并且每150ms进行一次retry。



LTC4260 Example Plot​

2.2 第二步：添加SOAtherm-NMOS Symbol

按F2，拖入SoAtherm-NMOS符号，按ctrl-R旋转符号，使其与已经在原理图中的NMOS符号方向一致。SoAtherm-NMOS符号被用作覆盖层，将覆盖住原本应用电路中的MOSFET。如果出现多余的引线，请自行删除。在T_C\和T_j\pins上分别可以观察壳温(case)和结温(junction)。之前提到的官方仿真文件中已经做到了这一步。



现在，SOAtherm-NMOS符号已放置在原理图中，必须选择适当的MOSFET 热/SOA模型。要更改模型，请右键单击Soatherm-NMOS符号中电流仪表的附近，以避免选择重叠的NMOS符号。然后，右键单击spicemodel单元格。它将显示现有Soatherm-NMOS型号的下拉菜单。您必须右键单击或双击才能查看下拉菜单（如果您使用的是LTSpice的Mac版本，则可以左键单击以使该字段可编辑并直接粘贴到SpiceModel 字段中），这里包含了ADI公司开发的MOSFET热模型集合
对于此仿真，选择PSMN4R8100BSE，这与已放置在原理图中的NMOS符号相匹配。


现在，添加两个名为Tj-FET和 Tc-FET的网络标签，然后将它们连接到Soatherm-NMOS符号的TJ和TC引脚。您可以使用F3 添加电线和F4 插入label net。
网络名称可以随便取，只是为了后续方便添加探头。


再次运行仿真，并绘制TJ-FET节点的电压。TJ-FET节点上的电压表示结(junction)温度(°C)，因此Y坐标轴的单位V可以直接视作℃（参考热模型基础，用电压表示热模型的温度）。在此仿真中，TJ-FET温度最大为132°C，从85°C开始。为什么它从85°C开始？环境温度在此符号中具有85°C的默认值。接下来，我们将将环境温度更改为70°C。


右键单击符号，然后将tambient = 85值更改为 Tambient=70 。或者，打开"SOAtherm-NMOS Tutorial 2 .asc"已完成此操作。
再次运行仿真，您将看到峰值结温现在为123°C。
根据datasheet，PSMN4R8100BSE MOSFET的最大结温度为175°C。大多数MOSFET的最高结温度为150°C或175°C。
该仿真表明了什么？首先，最高结温度小于175°C，因此符合datasheet中的SOA极限，the worst-case负载条件导致50℃的结温升。如前所述，SOA的MOSFET制造商datasheet限制通常是典型的值，需要额外的设计margin，以免将MOSFET推向其额定限制的边缘。
让我们再试一次测试。将GATE电容从10nF更改为100nF，然后再次运行仿真。


您会看到，当负载为1欧姆时，MOSFET的最高温度现在超过300°C。显然，这不是一个好主意。GATE的慢坡道会导致MOSFET发热，但它尚未达到 LTC4260 定时器开始运行的电流限制。
将电容器更改回10nF，然后再次运行仿真。这次查看TC-FET节点。这是MOSFET的壳温。在1ohm负载并启用autoretry情况下，每次retry的表壳温度都会上升。如果这是您应用程序中可能的情况，请禁用自动测试，或确保PCB布局/风扇提供足够的冷却。下面的“advanced”章节将展示如何调整RθJA参数以说明改进的PCB和气流冷却。
建议您还打开 LTspice SOAtherm Model Index Speadsheet，其中包含支持的MOSFET的列表以及仿真SOA和DataSheet SOA的plot。此外，电子表格允许通过RDS(ON)，最大VDS，最大ID或SOA rating对MOSFET进行方便分类。最后，不要忘记，虽然仿真是一种有用的工具，但它们不能替代焊接和示波器。
‍
2.3 补充

每个SOAtherm-NMOS库模型都包含MOSFET制造商datasheet中的默认RθJA值。必要时，可以通过添加RthetaJA属性来更改RθJA。【但是根据我自己的判断，这个热阻是连接case到Ambient的，所以ADI把这个属性命名为RthetaJA并不合适。一般Rthca用来代表散热片的热阻、而默认值50正好差不多是不外加散热器时的Rthca热阻】
SOAtherm-NMOS库模型不假定PCB或外部散热器的任何热源。它们仅包括由于MOSFET内部的铜制tab/paddle引起的散热。“Cheatsink”参数可用于为模型添加额外的散热器热容属性。每1 mm^3 铜会导致0.00345F的Cheatsink。例如，500 mm^3 铜散热器导致Cheatsink=1.7。另外，也可以在原理图的Tc引脚上连接外部的RC热电路，它们将与内部组件并联。
【我并不推荐大家使用RthetaJA、Cheatsink这两个属性来配置散热器效果。如果要加散热器使用下一节介绍的两个组件】

三、 添加散热器 或 PCB散热

通常，电路设计师使用独立的SOAtherm-NMOS符号来验证特定MOSFET的SOA是否适合指定应用；无需额外的散热器或PCB热模型。但是，在某些特别苛刻的应用中，尤其是那些高功率瞬变持续时间超过10毫秒的应用电路，希望利用散热器或PCB提供的额外热容量和耗散。在以前，这通过将电阻器网络连接到 SOAtherm-NMOS 模型的Tc 引脚来实现。
现在，使用SoAtherm-PCB和SoAtherm-HeatSink符号，可以通过指定一些物理参数而不是利用公式计算一系列组件值来对散热器和PCB热行为进行建模。
3.1 SOAtherm-PCB

要使用SOAtherm-PCB符号，请将其连接到SOAtherm-NMOS 符号的 Tc 引脚，如下所示。



SOAtherm-PCB Symbol​

在大多数仿真中，只需要提供以下信息：

Parameter	Description	Examples
Area_Contact_mm2	与 PCB 接触的裸露焊盘/tab的面积 (mm 2 )	Power-SO8: 15, D2PAK: 70
Area_PCB_mm2	专门用于 MOSFET 功率散热的 PCB 铜面积 (mm 2 )	50mm × 50mm: 2500
Copper_Thickness_oz	PCB 铜厚（盎司） (ounces)	1 oz. copper plane: 1
Tambient	环境温度 (°C)	85°C: 85
LFM	气流 (LFM)	100LFM: 100
PCB_FR4_Thickness_mm	PCB厚度 (mm)	2mm thick FR4: 2

当使用SOAtherm-PCB符号时，保守的做法是将SOAtherm-NMOS RthetaJA参数更改为一个大值，例如1K，以消除MOSFET的默认功率耗散值。



SOAtherm-PCB Component Attributes​

请记住，热行为，尤其是气流，涉及许多变量之间的复杂相互作用。虽然SOAtherm-PCB是电路设计师武器库中有用的工具，但它并不意味着替代更复杂的软件（这类软件考虑了三维气流行为和对相邻组件的辐射，对PCB布局进行有限元分析）。
‍
3.2 SOAtherm-HeatSink

要使用SOAtherm-HeatSink模型，请将符号连接到 SOAtherm-NMOS 符号的 Tc 引脚。



SOAtherm-HeatSink Symbol​

您可以通过右键单击散热器符号，然后双击“ SpiceModel”字段以产生下拉菜单，从而指定散热器是铜还是铝。



SOAtherm-HeatSink Symbol Component Attributes​

在大多数仿真中，您只需要提供以下信息：

Parameter	Description	Examples
Area_Contact_mm2	MOSFET与散热器的接触面积 (mm 2 )	TO-220: 100, TO-3P: 200
Volume_mm3	形成散热器的铜或铝的总体积 (mm 3 )	Aavid ML26AAG TO-220 heat sink: 1800
Rtheta	包括气流在内的散热器热阻(°C/W). 不包括界面材料的热阻	Aavid ML26AAG TO-220 heat sink with 200 feet per minute of airflow: 10
Rinterface (optional)	界面材料的热阻 (°C/W). Default is (100°C/W) / Area_Contact_mm2	100mm2 of Bergquist Sil-Pad 400: 7
Tambient	环境温度(°C)	85°C: 85

请注意， Rtheta是散热器datasheet中的热阻，包括气流的效果(比如散热器加装风扇)。例如，在Aavid ML26AAG datasheet中，提供了以下图。



Aavid ML26AAG Thermal Resistance Plot​

在每分钟200英尺的空气速度下，热阻为10°C/w。
有了这些信息， SOAtherm-HeatSink模型能够提供对散热器的瞬时热行为的一阶估计。它并不是要替换更复杂的有限元软件。
‍
3.3 底层模型

上述信息足以开始运行 SOAtherm-PCB和SOAtherm-HeatSink仿真，但是勤奋的工程师将很快质疑底层进行了怎样的建模以及进行了哪些简化。
SOAtherm-HeatSink model

SOAtherm-HeatSink模型相当简单。它假设散热器形成铜或铝的棒，该横截面与MOSFET选项卡的接触区域（ Area_Contact_mm2）匹配。棒的长度由指定的金属体积（ Volume_mm3）除以接触面积确定。热界面材料(例如导热硅脂、sil-pad等)由 Rinterface 参数提供的单个电阻值建模。如果尚未指定该参数，则根据 (100°C/W) / Area_Contact_mm2计算默认值。棒的另一端通过值为Rtheta的单个电阻连接到周围环境。如上所述，这对环境的功率耗散进行了建模。
由于棒在Cauer热模型中被建模为一系列电阻-电容对，因此在此简单模型中反映了瞬态和稳态行为。
‍
SOAtherm-PCB model

SOAtherm-PCB 模型假设PCB的一侧只有一层铜，并且该铜的总面积由 Area_PCB_mm2 参数定义。将铜建模为MOSFET在中心的圆形。将铜圆进一步分为十个同心圆，最小圆圈的内半径由 Area_Contact_mm2 参数确定。 SOAtherm-PCB 热模型将每个圆的热电阻和热容量集成为R-C pair，形成了Cauer热模型的十个taps之一。
假定功率可以通过对流和辐射从PCB的顶部和底部消散。对流和辐射是在上述Cauer模型的十个taps中独立建模的。这比试图描述整个PCB的对流和辐射的封闭形式方程提供了更准确的结果。
请注意，在默认对流模型中假设自然对流（无气流）传热系数值为1.1625e-5 W/(°C•mm 2 )。该值可能会根据结构形状、PCB的方向、层流和湍流等方向而有所不同。
气流是通过根据以下等式调整对流模型的传热系数来建模的：
hconv = hconv0 (1 + 0.013 • LFM0.8)
下面列出了可与 SOAtherm-PCB 模型一起使用的完整参数集。 在大多数情况下，只需要本文档上一节中列出的参数子集。

Parameter	Description	Examples
Area_Contact_mm2	与 PCB 接触的裸露焊盘/tab的面积 (mm 2 )	Power-SO8: 15, D2PAK: 70
Area_PCB_mm2	专门用于 MOSFET 功率散热的 PCB 铜面积 (mm 2 )	50mm × 50mm: 2500
Copper_Thickness_oz	PCB 铜厚（盎司）	1 oz. copper plane: 1
Tambient	环境温度 (°C)	85°C: 85
LFM	气流 (LFM)	100LFM: 100
PCB_FR4_Thickness_mm	PCB厚度 (mm)	2mm thick FR4: 2
Enable_Radiation	用于启用或禁用热辐射建模。大于零的值启用辐射。默认 1（启用）	Disable Radiation: 0 Enable Radiation: 1
TambientRadiation	热辐射模型的目标温度 (°C). 默认为Tambient参数的值。	85°C target: 85
TambientConvection	对流模型中使用的环境温度 (°C). 默认为Tambient参数的值	85°C ambient environment: 85
emissivity	热辐射模型中使用的 PCB 的发射率. 默认 0.8	Soldermask: 0.8 Oxidized copper: 0.8 Polished copper: 0.05
hconv0	指定对流方程中使用的自然对流（无气流）传热系数(heat transfer coefficient). 默认 1.1625e-5 W/°C∙mm 2 .	1.1625E-5

结尾的话

学习软件我的心得是，总归先用起来，熟悉了应用才有能力去研究底层实现，以反哺在实践中更灵活地应用。下一篇，带着大家探索SOAtherm-NMOS模型底层的实现。很多人关心的不在热模型库中的第三方MOS管怎么仿真的问题到时也会迎刃而解。
由于涉及了很多热回路模型的知识，因此本篇已经挤不下了，单独开一篇来讲更加合适。大家先好好练习本篇的内容吧~
‍
‍
‍
‍

陌上无尘

前排，哇咔咔