高側(cè)開(kāi)關(guān)在容性浪涌期間承受的大量熱耗散可能超過(guò)在功率耗散計(jì)算中計(jì)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(jìn)入過(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)，這將引起可靠性問(wèn)題。

針對(duì)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(shí)間很短。由于熱阻抗依賴于輸入，高側(cè)開(kāi)關(guān)可能能夠在浪涌事件期間在短時(shí)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(guò) Foster RC 網(wǎng)絡(luò)建模，如圖 3-13 所示。該模型將高側(cè)開(kāi)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(lái)。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(yuǎn)小于 RC 時(shí)間常數(shù)（用作高通濾波器），則功率的短脈沖對(duì)結(jié)溫的影響較小。如果時(shí)間周期很長(zhǎng)，熱電容會(huì)限制功率，所有功率都會(huì)通過(guò)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(duì)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(jìn)行比較。

在容性浪涌期間，Z_ΘJA、P_DIS 和 T_J 是時(shí)間周期的函數(shù)，如圖 3-13 所示。時(shí)間采用對(duì)數(shù)刻度，而 Z_ΘJA 是器件的時(shí)間相關(guān)熱阻抗（基于結(jié)點(diǎn)和環(huán)境空氣之間）。Z_ΘJA 根據(jù)特定器件的 Foster 模型的時(shí)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(kāi)頭，而衰減指數(shù)的總和 Z_ΘJA 在浪涌周期結(jié)束時(shí)達(dá)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(dá)到峰值。只要浪涌周期 Δt 小于器件的有效熱時(shí)間常數(shù)，或者在 Z_ΘJA 曲線變平之前，這一論斷都成立。對(duì)于大多數(shù)高側(cè)開(kāi)關(guān)，此時(shí)間大約為 500s。

從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，結(jié)溫是 Z_ΘJA 和 P_DIS 兩者的卷積，這兩者都隨時(shí)間變化，如Equation26 所示。計(jì)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(gè)任務(wù)留給像 PSPICE 這樣的仿真器。

就設(shè)計(jì)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(shí)間點(diǎn)的 T_J 表達(dá)式。通過(guò)這樣的簡(jiǎn)化計(jì)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(jì)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(gè)圖，請(qǐng)參閱附錄 A，并且這些圖針對(duì)表 3-1 中列出的每個(gè) TI 高側(cè)開(kāi)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(shí)間 Δt < ~500s 或 Z_ΘJA 曲線變平的位點(diǎn)。超過(guò)此位點(diǎn)后，隨著峰值溫度晚于 Δt/2 出現(xiàn)，該近似值開(kāi)始下沖。此時(shí)應(yīng)使用 PSPICE、Simulink 或其他建模工具進(jìn)行更高級(jí)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(duì)多通道器件重復(fù)此過(guò)程。但是，此數(shù)據(jù)僅適用于兩個(gè)通道同時(shí)導(dǎo)通且負(fù)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(gè)通道驅(qū)動(dòng) 470μF 的電容性負(fù)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(shí)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?yàn)槲覀儍H在一個(gè)通道上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(dòng)狀態(tài)，并導(dǎo)致高側(cè)開(kāi)關(guān)中出現(xiàn)大量功率耗散。這是因?yàn)殡娏飨拗剖峭ㄟ^(guò)控制 FET R_ON 實(shí)現(xiàn)的。在浪涌開(kāi)始時(shí)，必須強(qiáng)制使 R_ON 比數(shù)據(jù)表規(guī)格高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這會(huì)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(fù)載充電后降低至接近 0V。這個(gè)初始點(diǎn)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(jì)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?cè)?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(gè)估計(jì)值，并且工作條件可能與設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)觸發(fā)過(guò)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(huì)在 FET 結(jié)中出現(xiàn)最高溫度，因此針對(duì) ΔT_J < T_SW 的設(shè)計(jì)可確保浪涌期間不會(huì)觸發(fā)熱振蕩關(guān)斷。T_FET T_CON 的時(shí)間在很大程度上取決于浪涌時(shí)的負(fù)載條件，因此 ΔT_J 也可能大于 T_SW 而不會(huì)觸發(fā)熱振蕩關(guān)斷。

為獲得準(zhǔn)確的熱結(jié)果，強(qiáng)烈建議對(duì) TI 的高側(cè)開(kāi)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(jìn)行建模。更多有關(guān)在 PSPICE 中對(duì)器件熱性能進(jìn)行仿真的信息，請(qǐng)參閱《使用 PSpice 仿真器模擬 TI 智能高側(cè)開(kāi)關(guān)中的熱行為》。