高側(cè)開關(guān)在容性浪涌期間承受的大量熱耗散可能超過在功率耗散計算中計算出的器件平均功率耗散。如果器件結(jié)溫升至 T_j(Max) 以上并可能使器件進入過熱關(guān)斷狀態(tài)，這將引起可靠性問題。

針對平均功率耗散，我們按照Equation4 估算了結(jié)溫。然而，容性浪涌事件不是穩(wěn)態(tài)條件，且持續(xù)時間很短。由于熱阻抗依賴于輸入，高側(cè)開關(guān)可能能夠在浪涌事件期間在短時間內(nèi)承受高于平均水平的功率耗散。

瞬態(tài)熱阻抗通常通過 Foster RC 網(wǎng)絡(luò)建模，如圖 3-13 所示。該模型將高側(cè)開關(guān)結(jié)溫 T_J 與環(huán)境溫度 T_A 以及熱 RC 網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)與器件 P_DIS 中耗散的功率聯(lián)系起來。模型中的熱阻抗值在很大程度上取決于器件結(jié)構(gòu)和封裝。Z_ΘJA 的定義如Equation25 所示。

該模型顯示，如果周期遠小于 RC 時間常數(shù)（用作高通濾波器），則功率的短脈沖對結(jié)溫的影響較小。如果時間周期很長，熱電容會限制功率，所有功率都會通過熱阻抗 R_1,2,3..n。模型中的這些熱阻抗之和為 R_ΘJA，這一參數(shù)在器件數(shù)據(jù)表中有相關(guān)規(guī)定。對快速功率瞬變的響應(yīng)的建模結(jié)果將與圖 3-13 中的穩(wěn)態(tài)功率耗散進行比較。

在容性浪涌期間，Z_ΘJA、P_DIS 和 T_J 是時間周期的函數(shù)，如圖 3-13 所示。時間采用對數(shù)刻度，而 Z_ΘJA 是器件的時間相關(guān)熱阻抗（基于結(jié)點和環(huán)境空氣之間）。Z_ΘJA 根據(jù)特定器件的 Foster 模型的時間常數(shù)呈指數(shù)衰減。

Z_ΘJA 在浪涌周期 Δt 期間單調(diào)增加，但由于電流限制，器件中的總功率耗散呈線性下降。峰值功率耗散 I_LIM·V_SUP 出現(xiàn)在此周期的開頭，而衰減指數(shù)的總和 Z_ΘJA 在浪涌周期結(jié)束時達到峰值。

這種相反關(guān)系導(dǎo)致結(jié)溫在浪涌周期大約一半（即 Δt/2）處達到峰值。只要浪涌周期 Δt 小于器件的有效熱時間常數(shù)，或者在 Z_ΘJA 曲線變平之前，這一論斷都成立。對于大多數(shù)高側(cè)開關(guān)，此時間大約為 500s。

從數(shù)學(xué)角度來看，結(jié)溫是 Z_ΘJA 和 P_DIS 兩者的卷積，這兩者都隨時間變化，如Equation26 所示。計算此卷積以獲得 ΔT_j 非常困難，如果器件有支持熱性能的模型，最好將這個任務(wù)留給像 PSPICE 這樣的仿真器。

就設(shè)計而言，我們主要應(yīng)該關(guān)注的是在浪涌周期內(nèi)找出 T_J(Max)，而不是獲得任何時間點的 T_J 表達式。通過這樣的簡化計算，我們可以得到 T_J(Max)（按照Equation27）的近似值。 在Equation27 中，Z_ΘJA(Δt/2) 是位于浪涌周期 Δt 一半處的瞬態(tài)熱阻抗，其計算方法如Equation24 所示。然后，我們從器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線中找出 Δt/2 處的 Z_ΘJA，如圖 3-16 所示。

有關(guān)瞬態(tài)熱阻抗 Z_ΘJA 的多個圖，請參閱附錄 A，并且這些圖針對表 3-1 中列出的每個 TI 高側(cè)開關(guān)而提供。

Equation27 的精度在 T_J(Max) 的 PSPICE 仿真結(jié)果的 ±10% 以內(nèi)，但僅適用于浪涌時間 Δt < ~500s 或 Z_ΘJA 曲線變平的位點。超過此位點后，隨著峰值溫度晚于 Δt/2 出現(xiàn)，該近似值開始下沖。此時應(yīng)使用 PSPICE、Simulink 或其他建模工具進行更高級的熱仿真。

可使用 2 通道或 4 通道導(dǎo)通情況下的瞬態(tài)熱數(shù)據(jù) Z_ΘJA 對多通道器件重復(fù)此過程。但是，此數(shù)據(jù)僅適用于兩個通道同時導(dǎo)通且負載條件相同的情況。

除了我們的 TPS2H160-Q1 示例之外，我們還可以估算容性浪涌期間的 T_J(Max)。在此示例中，由單個通道驅(qū)動 470μF 的電容性負載，電流限值 I_LIM 設(shè)置為 1A，電源電壓為 24V，環(huán)境溫度為 T_A = 25°C。

根據(jù)Equation18，我們發(fā)現(xiàn)浪涌周期持續(xù)時間為 Δt = 11.28ms。參考附錄 A 中的 TPS2H160-Q1 數(shù)據(jù)，我們可以在 Δt = 11.28ms 處畫一條線（如圖 3-16 所示），找出浪涌周期 Δt 一半處的 R_ΘJA 值，因為我們僅在一個通道上進行驅(qū)動，得到 Z_ΘJA(Δt/2) = 5.4°C/W。

電流限制功能在浪涌周期內(nèi)處于活動狀態(tài)，并導(dǎo)致高側(cè)開關(guān)中出現(xiàn)大量功率耗散。這是因為電流限制是通過控制 FET R_ON 實現(xiàn)的。在浪涌開始時，必須強制使 R_ON 比數(shù)據(jù)表規(guī)格高幾個數(shù)量級，這會導(dǎo)致 FET 通道中的高 I²R 損耗。

一旦器件將 FET 導(dǎo)通，F(xiàn)ET 上的 V_DS 最初為 V_SUP，并在電容器負載充電后降低至接近 0V。這個初始點正是出現(xiàn)峰值功率耗散的地方。在我們使用 TPS2H160-Q1 的示例中，我們已設(shè)置 ILIM = 1A，因此峰值功率為 24V·1A = 24W?，F(xiàn)在，為了計算浪涌期間的 T_J(MAX)，我們可以將 V_SUP、I_LIM、T_A 和 Z_ΘJA(Δt/2) 的值代入Equation27，如Equation28 所示。

根據(jù)Equation28，我們在 25°C 的環(huán)境溫度下算出 T_J(Max) ≈ 111°C，而 111°C < 150°C，完全在 T_J 的規(guī)格限值范圍內(nèi)。因此，我們所處環(huán)境的 ΔT_J 為 86°C。

這是一個估計值，并且工作條件可能與設(shè)計時不同，因此建議在 T_J(Max) 和 150°C 之間留出足夠的余量。T_J 限制不當(dāng)可能會觸發(fā)過熱關(guān)斷并降低可靠性和器件壽命。

除了保持 T_J < 150°C 外，建議保持 ΔT_J < T_SW（其中的 T_SW = 60°C），以便防止浪涌期間出現(xiàn)熱振蕩關(guān)斷。浪涌期間會在 FET 結(jié)中出現(xiàn)最高溫度，因此針對 ΔT_J < T_SW 的設(shè)計可確保浪涌期間不會觸發(fā)熱振蕩關(guān)斷。T_FET T_CON 的時間在很大程度上取決于浪涌時的負載條件，因此 ΔT_J 也可能大于 T_SW 而不會觸發(fā)熱振蕩關(guān)斷。

為獲得準確的熱結(jié)果，強烈建議對 TI 的高側(cè)開關(guān)使用支持熱性能的 PSPICE 模型，確保能夠?qū)?T_J、T_CON 和熱關(guān)斷進行建模。更多有關(guān)在 PSPICE 中對器件熱性能進行仿真的信息，請參閱《使用 PSpice 仿真器模擬 TI 智能高側(cè)開關(guān)中的熱行為》。