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電子系統(tǒng)的小型化趨勢(shì)對(duì)電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了一系列重要影響，其中，合理的熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要性與日俱增�，F(xiàn)在的手持設(shè)備和便攜式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很高的功率重量比，其好處包括節(jié)省材料和降低總體成本。但是小型化是有代價(jià)的，尤其是對(duì)熱管理而言。從一個(gè)緊湊的系統(tǒng)把熱量散發(fā)出去，要比在大系統(tǒng)中完成此項(xiàng)任務(wù)的設(shè)計(jì)難度更大，這要求所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都對(duì)功率半導(dǎo)體器件的熱行為有一定的了解。在很多系統(tǒng)中，MOSFET是核心的功率管理器件，而且MOSFET還容易受到各種應(yīng)力的影響，因此了解功率MOSFET的發(fā)熱行為顯得尤其重要。 雖然在理論上可以用通用熱分析軟件來了解功率MOSFET的熱行為，還是需要一定程度的器件專業(yè)知識(shí)，而除了MOSFET制造商自己，其他人對(duì)這些知識(shí)知之甚少。基于RC網(wǎng)絡(luò)的行為模型是不夠的，因?yàn)殡y以保持邊界條件的獨(dú)立性，也難于把不同層次的模型組合到一起。二維或半維仿真也有同樣的局限，只有三維模型才可行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要的是專用軟件，要求有功率建模功能，而不是供非專業(yè)用戶使用的非常簡(jiǎn)單的軟件。 當(dāng)然根據(jù)它們各自的應(yīng)用領(lǐng)域，這些工具的先進(jìn)功能只能在封裝、PCB級(jí)別發(fā)揮出來，或者是在外殼級(jí)別，但肯定不是在所有的級(jí)別。 ANSYS和其他有限元分析工具在分析MOSFET熱行為時(shí)相當(dāng)有效，但是需要很復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)，而且它們的功能也要比應(yīng)用所需的功能要多很多。這種多功能的工具不僅僅只是用來解決某類問題，例如電子、傳熱和機(jī)械問題。然而，軟件的復(fù)雜程度使得只有專家才能使用這種建模功能。Flopack、Flotherm、Icepak和ISE等專用工具的好處是簡(jiǎn)化了創(chuàng)建模型和組合的過程。 在使用功率MOSFET時(shí)，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)師需要了解這些器件的實(shí)際三維狀況。MOSFET制造商擁有所有這些信息，但是如果把這些信息全部公開，就相當(dāng)于公布了很多知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)秘密。因此，難題就在于既要以模型的方式提供這些信息，又不會(huì)透露器件的技術(shù)細(xì)節(jié)。 Vishay就利用這種方法開發(fā)了在線熱仿真工具ThermaSim。設(shè)計(jì)所需的全部數(shù)據(jù)都被提取到復(fù)雜的模型中，然后設(shè)計(jì)者就可以直接利用模型，仿真各種應(yīng)用和設(shè)計(jì)方案中的任何Vishay Siliconix的MOSFET。 為創(chuàng)建可用于ThermaSim的模型，Vishay使用了REBECA-3D，該平臺(tái)可以讓用戶一步一步地構(gòu)建出器件的3D模型。除此以外，REBECA-3D還可以把各種器件特性賦予結(jié)構(gòu)中的各種元件，然后置入特定的“域”。當(dāng)器件模型創(chuàng)建完之后，REBECA-3D會(huì)定義操作環(huán)境，包括PCB板的特征參數(shù)、器件在PCB板上的位置、電源外形和時(shí)間因子、環(huán)境溫度、散熱和氣流的效果，以及電路板在系統(tǒng)內(nèi)的方向(水平、垂直、右側(cè)朝上或正面朝下)。REBECA-3D使用邊界元方法，解決了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法的計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的問題，而計(jì)算時(shí)間與電子器件的幾何比例因子有關(guān)。 簡(jiǎn)單來說，REBECA-3D沒有把各種結(jié)構(gòu)形態(tài)看做是實(shí)心的，軟件從組成3D結(jié)構(gòu)的8個(gè)面的視角去進(jìn)行熱分析。這種方法實(shí)現(xiàn)了高粒度的分析，同時(shí)允許使用邊界元方法求解傳導(dǎo)方程，包括非線性材料、穩(wěn)態(tài)應(yīng)用、無內(nèi)部網(wǎng)格的方程。然而，用這種方法進(jìn)行熱仿真得到的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說已經(jīng)是足夠了。在其他情況下，瞬時(shí)的高功率幅值決定了模型和邊界條件的臨界值，這時(shí)甚至需要把內(nèi)部網(wǎng)格也考慮在內(nèi)。 Vishay公司的網(wǎng)站上提供了ThermaSim，這個(gè)易用、免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)熱仿真工具可以和Vishay的在線MOSFET庫(kù)一起使用。ThermaSim能在幾分鐘內(nèi)提供熱分析的結(jié)果，而且可以應(yīng)客戶的需要進(jìn)行定制的改寫。本文提供了一個(gè)特殊的例子，通過與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，對(duì)ThermaSim仿真進(jìn)行評(píng)估。此外，本文還討論目前ThermsSim版本的局限性，以及未來將如何改進(jìn)。 DC/DC應(yīng)用中的功率MOSFET 在下面的例子中，對(duì)用于DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器中(圖1)的Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET進(jìn)行了分析。為分析器件的性能，使用了Vishay的ThermaSim在線熱仿真工具(在Vishay的網(wǎng)站提供，網(wǎng)址http://www.vishay.com/mosfets/thermasim/)。要使用該工具，首次使用的用戶需要進(jìn)行注冊(cè)，創(chuàng)建用戶名和密碼。 
圖1：用于分析的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，其中采用了Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET。 在這個(gè)例子中，分析了使用SiP12201印刷電路板的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中Si7392DP和Si7892BDP的熱性能。 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)完成注冊(cè)和創(chuàng)建用戶名和密碼以后，仿真的第一步是輸入應(yīng)用數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)如下： (a)典型的情況是，在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，主要的功率耗散產(chǎn)生于三個(gè)器件：高邊和低邊功率MOSFET(Q1和Q2)，以及輸出電感(L1)。與熱分析有關(guān)的電數(shù)據(jù)： P1 = 1.9 W — Si7392DP的平均功率耗散 — Q1 P2 = 1.4 W — Si7892BDP的平均功率耗散 — Q2 P3 = 1.0 W — 電感器的平均功率耗散 — L1 (b) 4層印刷電路板的詳細(xì)數(shù)據(jù)： 機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)： (i) PCB長(zhǎng)度 (X) = 54 mm (ii) PCB寬度(Y) = 40 mm (iii) PCB厚度 (T) = 1.5 mm 頂層： (iv) 材料 = 銅 (v) 厚度 = 0.076 mm (2 盎司) (vi) 預(yù)計(jì)的覆銅面積比例 = 80 % 底層： (vii) 材料 = 銅 (viii) 厚度= 0.076 mm (2 盎司) (ix) 預(yù)計(jì)的覆銅面積比例 = 60 % 兩個(gè)內(nèi)部導(dǎo)電層： www.ed-china.com www.ed-china.com www.ed-china.com (x) 材料 = 銅 (xi) 厚度 = 0.035 mm (1.5 盎司) (xii) 預(yù)計(jì)的覆銅面積比例= 100 % 三個(gè)內(nèi)部絕緣層： (xiii) 材料 = FR-4 環(huán)氧玻璃 (xiv) 厚度 = 0.46 mm (c) 3個(gè)功率耗散器件的坐標(biāo): (i) Q1 坐標(biāo): X = 23.18 mm, Y = 18.09 mm (ii) Q2 坐標(biāo): X = 23.18 mm, Y = 12.38 mm (iii) L1 坐標(biāo): X = 40.00 mm, Y = 13.65 mm (d) 銅襯墊坐標(biāo): (i) Q1 襯墊坐標(biāo): X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm (ii) Q2 襯墊坐標(biāo): X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm (iii) L1 襯墊坐標(biāo): X = 25.00 mm, Y = 25.00 mm (e) 系統(tǒng)信息: (i) 環(huán)境溫度: 22℃ (ii) PCB板對(duì)地的安裝方向: 水平，器件在頂側(cè) 熱仿真設(shè)計(jì) 請(qǐng)?jiān)L問http://www.vishay.com/mosfets/thermasim/，登錄進(jìn)入ThermaSim。ThermaSim的頁面將會(huì)打開。點(diǎn)擊“Here”，這是在第二段的最后一個(gè)單詞。輸入注冊(cè)的用戶e-mail地址和密碼。 第一步是確定仿真用到的器件。要填寫這個(gè)頁面，請(qǐng)使用圖2所示的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。在“Vishay Product”欄，可以使用“Search”框，瀏覽封裝系列，或點(diǎn)擊滾動(dòng)條的選擇列表，選中Si7392DP。在“Power Spec”欄，選擇“Steady State”單選按鈕，在相鄰的框中輸入功率值0.52。點(diǎn)擊在“Vishay Product”部分中的“Add”，“Component Selection List”部分會(huì)更新Si7392DP的信息。
圖2：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)示例。 在“Components”選項(xiàng)卡，可以用“Search”框、瀏覽封裝類型或通過選擇列表的滾動(dòng)條，選擇要仿真的器件。 重復(fù)上述步驟，找到Si7892BDP和其他器件。“Component Selection List”應(yīng)該和圖2相匹配。點(diǎn)擊頁面底部的“Next”，或選擇“PCB”選項(xiàng)卡。 第二步是使用圖3所示的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入PCB數(shù)值。在size X項(xiàng)輸入54，在size Y項(xiàng)輸入40，然后點(diǎn)擊“Add”。右邊的圖就會(huì)相應(yīng)變化。點(diǎn)擊“Top Layer”選項(xiàng)卡，在材料項(xiàng)選擇“Copper 80 %”，輸入0.076做為厚度。
圖3：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。 在“PCB”選項(xiàng)卡里， 輸入PCB的尺寸、材料，以及頂層、中間層和底層的厚度。 下面選擇“Internal Layers”選項(xiàng)卡，輸入內(nèi)部仿真層的參數(shù)：材料是FR-4環(huán)氧玻璃，厚度是0.46mm。點(diǎn)擊“Add”和“Internal Layer List”框，就會(huì)與相鄰的圖表一起更新。 下面添加導(dǎo)電層：材料是銅，厚度是0.035mm(1.5盎司)，預(yù)計(jì)覆銅面積的比例是100%。點(diǎn)擊“Add”和“Internal Layer List”框，就會(huì)與相鄰的圖表一起更新。使用拷貝和粘貼命令，添加絕緣和導(dǎo)電層，如圖3所示。點(diǎn)擊頁面底部的“Next”，或選擇“Position”選項(xiàng)卡。 在第三步中，將會(huì)確定功率MOSFET和輸出電感器的位置。選中“Component Selection List”，分別輸入每個(gè)功率耗散器件的坐標(biāo)： (i) Si7392DP (Q1) 坐標(biāo): X = 23.18 mm, Y = 18.09 mm. 點(diǎn)擊 “Add” (ii) Si7892BDP (Q2) 坐標(biāo): X = 23.18 mm, Y = 12.38 mm. 點(diǎn)擊 “Add” (iii) Component 1 (L1) 坐標(biāo): X = 40.00 mm, Y = 13.65 mm. 點(diǎn)擊 “Add” 重復(fù)上述步驟，輸入銅襯墊器件參數(shù)： (i) Si7392DP (Q1) 襯墊坐標(biāo): X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm. 點(diǎn)擊 “Add” (ii) Si7892BDP (Q2) 襯墊坐標(biāo): X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm. 點(diǎn)擊 “Add” (iii) Other component 1 (L1) 襯墊坐標(biāo): X = 25.00 mm, Y = 25.00 mm. 點(diǎn)擊 “Add” 輸入坐標(biāo)以后，“Component Selection List”和相鄰的圖表就會(huì)更新。點(diǎn)擊頁面底部的“Next”，或選擇“System”選項(xiàng)卡。 第四步是選擇系統(tǒng)。選中“Infinite Environment”選項(xiàng)卡，輸入22℃做為環(huán)境溫度。選擇“Free Convection”單選按鈕，然后選擇“Gravity Orientation – Z Gravity”。在“Simulation Setting”部分，選擇“Steady State”單選按鈕。點(diǎn)擊頁面底部的“Next”，或選擇“Setup”選項(xiàng)卡。 第五步完成仿真的設(shè)計(jì)工作。在“Simulation Settings”部分，選擇“Accuracy Level High 95 %.”，輸入你的e-mail地址，然后保存配置數(shù)據(jù)，以便以后再用。分別檢查每個(gè)器件的輸出數(shù)據(jù)框，點(diǎn)擊頁面底部的“Next”，或選擇“Run”選項(xiàng)卡。 最后一步是運(yùn)行仿真，然后會(huì)彈出一個(gè)新窗口。檢查“Simulation Checking Summary”里的輸入數(shù)值，看是否有錯(cuò)誤。如果所有輸入數(shù)據(jù)均無誤，點(diǎn)擊頁面底部的“Send Run”。如果輸入有誤，點(diǎn)擊cancel，返回設(shè)計(jì)并改正錯(cuò)誤。 點(diǎn)擊完“Send Run,”以后，會(huì)打開一個(gè)新窗口，確認(rèn)仿真已經(jīng)被提交，結(jié)果會(huì)e-mailed給您。點(diǎn)擊“Close”返回設(shè)計(jì)，或退出瀏覽器，結(jié)束設(shè)計(jì)。 如果你需要幫助，點(diǎn)擊“Help”選項(xiàng)卡，尋求在線指導(dǎo)。你也可以點(diǎn)擊“E-mail”選項(xiàng)卡，發(fā)送建議、提出疑問或報(bào)告問題。 熱仿真結(jié)果 仿真結(jié)果的e-mail包含了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入的摘要和兩個(gè)文件：包含仿真結(jié)果的PDF文件和文本文件。PDF文件的第一頁是是仿真輸入數(shù)據(jù)的摘要，接下來是設(shè)計(jì)中可用的導(dǎo)熱范圍�！胺抡孑敵觥钡拈_始部分是“整體輸出結(jié)果”，然后是各個(gè)器件的部分。PDF文件同時(shí)提供了數(shù)據(jù)表和溫度譜的彩色圖片。圖4顯示了Si7392DP的溫度譜，Si7892BDP的溫度譜也與之相似。
圖4：Si7392DP的溫度譜。 PDF文件包含的仿真結(jié)果提供了數(shù)據(jù)表和帶溫度譜的彩色圖片。該圖顯示了Si7392DP的溫度譜。 文本文件總結(jié)了詳盡的信息。 最低系統(tǒng)溫度=101.64℃ 最高系統(tǒng)溫度=131.03℃ Tot flux PCB = 4.045 W, Tmin PCB = 101.64 ℃, Tmax PCB = 128.03 ℃ 器件數(shù)量=3 Si7392DP Tmin = 115.46 ℃ Si7392DP Tmax = 131.02 ℃ Si7392DP Tdie = 131.04 ℃ Si7392DP Ttop = 125.81 ℃ Si7392DP Tbot = 125.53 ℃ Si7392DP Phi to PCB = 1.88W Si7892BDP Tmin = 115.05 ℃ Si7892BDP Tmax = 126.12 ℃ Si7892BDP Tdie = 125.99 ℃ Si7892BDP Ttop = 124.66 ℃ Si7892BDP Tbot = 125.09 ℃ Si7892BDP Phi to PCB = 0.48 W 器件 1 Ttop = 119.01 ℃ 器件1 Phi to PCB = 0.81 W 實(shí)驗(yàn)測(cè)試 溫升的實(shí)驗(yàn)測(cè)試是用ThermaSim完成的。圖5顯示了器件的溫度譜，圖6顯示了測(cè)試結(jié)果。下面的表1比較了兩個(gè)MOSFET的溫度。
圖5：器件的溫度譜。 器件溫升的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果是用ThermaSim獲得的，彩色圖片顯示了它們的溫度譜。
圖6：測(cè)試結(jié)果。 下表提供的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)說明
10.81℃和12.67℃大約相差10%，可能是由下面的幾個(gè)因素引起的： (1)PCB有幾個(gè)金屬端子和粗接地跳線(見圖1)。這些金屬幫助把PCB板上的熱量散發(fā)出去，降低了MOSFET的溫度。 (2)仿真工具無法計(jì)算PCB板上金屬的散熱效應(yīng)，因此仿真的結(jié)果要高一些。 然而，仿真結(jié)果當(dāng)中的正誤差間接地為我們提供了一個(gè)防止低估風(fēng)險(xiǎn)的安全防范措施，而低估在任何仿真當(dāng)中都不是想要的結(jié)果。 我們可以認(rèn)為，對(duì)于評(píng)估Vishay功率MOSFET的熱性能，并且得出一個(gè)安全的熱設(shè)計(jì)，使用ThermaSim得到的熱仿真結(jié)果是完全夠用的。 ThermaSim未來的前景 ThermaSim在線工具可以幫助用戶輕松和有效地分析安裝到PCB板上的MOSFET。然而，仿真工具對(duì)快速上升的重復(fù)性功率脈沖進(jìn)行瞬態(tài)熱分析的能力有限。在最新版本的ThermaSim中，周期瞬態(tài)比不能小于0.01，時(shí)間步長(zhǎng)不能小于0.01。今后的版本將改進(jìn)這些分析能力，而且可以反復(fù)對(duì)重復(fù)性脈沖進(jìn)行晶圓級(jí)的仿真，這樣就可以在幾微秒內(nèi)完成對(duì)功率脈沖的仿真。 聲明：作者在此聲明，以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試的輸入數(shù)值是由Yuming Bai博士提供的。 作者：Vishay Siliconix公司Kandarp Pandya |
