Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 29) – Stima dell’aumento di temperatura transitorio in un MOSFET hot-swap – Parte 2

Pubblicato il 28 maggio 2013

Nel presente articolo completiamo la descrizione del metodo  per ottenere una  stima dell’aumento transitorio della temperatura in un MOSFET hot-swap. Nell’articolo precedente abbiamo visto come sviluppare un circuito elettrico equivalente per l’analisi dell’aumento di temperatura.

La fonte di calore è stata modellata con un generatore di corrente, mentre la resistenza termica e la capacità termica sono state calcolate in base alle proprietà fisiche dei componenti del sistema; infine, le tensioni nei vari punti del circuito corrispondevano alle temperature.

In questo articolo confrontiamo la risposta transitoria del modello mostrato nella figura 1 con le curve SOA (safe operating area, area di funzionamento di sicurezza) della parte mostrata nella figura 3.

fig1

Fig. 1 – Capacità termiche aggiunte al circuito elettrico DC analogo

I valori riportati nella figura 1 sono stime basate sulle proprietà fisiche del MOSFET CSD17312Q5, del leadframe e della scheda di circuiti stampati sulla quale è montato il MOSFET. L’esame del modello mostra numerosi punti significativi. La resistenza tra la scheda e l’ambiente (105 oC/W) corrisponde al percorso a resistenza minima verso l’ambiente e determina la dissipazione DC tollerabile nel circuito. Limitando l’aumento di temperatura a 100 oC si limita tale dissipazione a 1 watt. In secondo luogo, il PCB   introduce una costante di tempo di 10 secondi, per cui è necessario un tempo considerevole per il riscaldamento completo della scheda e quindi il circuito può tollerare burst di potenza maggiori.

Ad esempio, durante un breve impulso tutta l’energia termica carica la capacità termica del chip e, in misura minore, quella del leadframe. È possibile stimare quanta energia può essere immagazzinata nel condensatore del chip assumendo che tutta l’energia sia immagazzinata in tale capacità e risolvendo l’equazione dV = I * dt/C dove I è l’incognita, ossia I = dV * C/dt = 100 oC * 0,013 F/1 ms =1300 watt, che concorda con quanto indicato dalle curve SOA della figura 3.

fig2

Fig. 2 – Sono evidenti tre costanti di tempo in relazione al flusso dell’energia termica nella scheda di circuiti stampati

La figura 2 mostra i risultati della simulazione della figura 1 e le risposte di tensione che ne risultano. I grafici si riferiscono a una dissipazione di 80 watt e sono evidenziate le diverse costanti di tempoi. La curva verde, che rappresenta la temperatura del chip, raggiunge rapidamente una valore costante della tensione rispetto alla curva blu, che corrisponde al circuito stampato. Si può anche osservare che esiste una seconda costante di tempo relativa al leadframe (curva rossa) a causa di un leggero ritardo. Infine, si può osservare la quasi linearità della carica del circuito stampato, dato che la maggior parte dell’energia termica (corrente) è presente nella sua capacità termica. 

fig3

Fig. 3 – Il modello termico è coerente con le curve SOA del MOSFET CSD17312 SOA nei punti indicati

Sono state eseguite  una serie di simulazioni atte a verificare la precisione del modello. La figura 3 mostra  i risultati. I rombi rossi indicano il risultato di ciascuna simulazione. Al circuito è stata applicata una potenza (corrente) costante e la tensione del chip (aumento della temperatura) è stata misurata dopo il corrispondente intervallo. Il modello corrispondeva sempre alle curve SOA illustrate. Il risultato di questa simulazione conferma che si può usare questo modello e variare i parametri del dissipatore di calore e della scheda di circuiti stampati.

Ad esempio, i dati delle curve SOA si riferiscono a una scheda di dimensioni minime, con bassa capacità di raffreddamento; è possibile aumentarne le dimensioni per ridurne la resistenza termica rispetto all’ambiente o per aumentare la quantità di rame allo scopo di ottenere una diffusione migliore del calore e quindi ridurre le temperature. La maggiore quantità di rame inoltre aumenta la capacità termica. 

Il prossimo argomento della rubrica sarà un semplice circuito che permette di ottenere un alimentatore per la tensione di servizio isolato.

Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: www.ti.com/power-ca

Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com

Robert Kollman, Texas Instruments



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