LTspice：对PCB和散热器散热模型的SOAtherm支持

SOAtherm模型与LTspice软件一起分发，并通过直接在电路仿真中验证未超出特定MOSFET的安全工作区（SOA）来简化热插拔和浪涌抑制器设计。本文假定对 SOAtherm 模型有基本的了解。

通常，电路设计人员独立使用 LTspice SOAtherm-NMOS 符号来验证特定 MOSFET 的 SOA 是否适合给定应用;无需额外的散热器或PCB散热模型。然而，在一些要求特别苛刻的应用中，特别是那些高功率瞬变持续时间超过10毫秒的应用中，可能需要利用散热器或PCB提供的额外热容量和耗散。以前，这是通过将电阻电容网络连接到SOAtherm-NMOS模型的Tc引脚来实现的。

现在，使用SOAtherm-PCB和SOA-HeatSink符号，可以通过指定一些物理参数来模拟散热器和PCB热行为，而不是根据公式计算组件值数组。

索热多氯联苯

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符号

在大多数模拟中，只需提供以下信息：

 

参数	描述	例子
Area_Contact_mm2	接触PCB的裸露焊盘/凸片区域（mm2)	功率-SO8： 15， D2PAK： 70
Area_PCB_mm2	专用于MOSFET功耗的PCB铜面积（mm2)	50毫米×50毫米：2500
Copper_Thickness_oz	印刷电路板铜厚度（盎司）	1盎司铜平面：1
环境	环境温度（°C）	85°C： 85
低频机	气流 （LFM）	100LFM： 100
PCB_FR4_Thickness_mm	印刷电路板厚度（毫米）	2毫米厚FR4：2

 

使用 SOAtherm-PCB 符号时，保守的做法是将 SOAtherm-NMOS RthetaJA 参数更改为较大的值（例如 1k），以消除仿真中 MOSFET 的默认功耗值。

SOAtherm-PCB组件属性

请记住，热行为，尤其是气流的热行为，涉及许多变量之间的复杂相互作用。虽然SOAtherm-PCB是电路设计人员武器库中的有用工具，但它不能替代更复杂的软件，该软件结合三维气流行为和对相邻组件的辐射来实现PCB布局的有限元分析。

SOAtherm-HeatSink

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

SOAtherm-HeatSink 符号

您可以通过右键单击散热器符号来指定散热器是铜还是铝，然后双击“SpiceModel”字段以生成下拉菜单。

SOAtherm-散热器符号组件属性

在大多数模拟中，您只需要提供以下信息：

 

参数	描述	例子
Area_Contact_mm2	接触散热器的 MOSFET 片面积（mm2)	TO-220： 100， TO-3P： 200
Volume_mm3	形成散热器的铜或铝的总体积（mm3)	爱美德ML26AAG TO-220散热器：1800
瑞塔	散热器的热阻，包括气流（°C/W）。不包括界面材料的电阻	Aavid ML26AAG TO-220 散热器，每分钟 200 英尺气流：10
接口（可选）	界面材料的热阻（°C/W）。默认值为 （100°C/W） / Area_Contact_mm2	100毫米2伯格奎斯特的西尔-帕德400：7
环境	环境温度（°C）	85°C： 85

 

请注意，Rtheta是散热器数据表中的热阻，包括气流的影响。例如，在Aavid ML26AAG数据表中，提供了以下图。

爱美德ML26AAG热阻图

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模型能够提供散热器瞬态热行为的一阶估计。它并不意味着取代更复杂的有限元软件。

高级主题

以上信息足以开始运行SOAtherm-PCB和SOAtherm-HeatSink仿真，但勤奋的工程师很快就会质疑正在建模的内容以及所做的简化。

SOAtherm-HeatSink 模型

SOAtherm-HeatSink模型相当简单。它假装散热器形成一条铜条或铝条，其横截面与 MOSFET 片 （Area_Contact_mm2） 的接触面积相匹配。棒材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（导热硅脂、硅焊盘等）由Rinterface参数提供的值的单个电阻器建模。如果未指定该参数，则根据 （100°C/W） / Area_Contact_mm2 计算默认值。棒的另一端通过单个Rtheta值电阻连接到周围环境。如上所述，这模拟了对环境的功耗。

由于该条在Cauer热模型中建模为一系列电阻-电容抽头，因此瞬态和稳态行为反映在这个简单模型中。

SOAtherm-PCB模型

SOAtherm-PCB模型假设PCB在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。铜被建模为一个圆，MOSFET在中心。铜圆进一步分为十个同心圆，最小圆的内半径由Area_Contact_mm2参数确定。SOAtherm-PCB热模型将每个圆的热阻和热容量集中到一个R-C对中，形成Cauer热模型的十个抽头之一。

假设功率通过对流和辐射从PCB的顶部和底部耗散。对流和辐射在上述Cauer模型的十个抽头中的每一个都独立建模。这提供了比试图描述整个PCB的对流和辐射的闭式方程更准确的结果。

注意自然对流（无气流）换热系数值为1.1625e-5宽/（°C•毫米2） 在默认对流模型中假定。该值可能会因结构形状、PCB 的方向、层流与湍流气流等而异。如果需要，可以使用 hconv0 参数覆盖此值。

气流是通过根据以下公式调整对流模型的传热系数来建模的：

hconv = hconv0 （1 + 0.013 • LFM0.8）

下面列出了可用于SOAtherm-PCB模型的完整参数集。在大多数情况下，只有本文档上一节中列出的参数子集是必需的。

 

参数	描述	例子
Area_Contact_mm2	接触PCB的裸露焊盘（或片）区域（mm2)	功率-SO8： 15， D2PAK： 70
Area_PCB_mm2	专用于MOSFET功耗的PCB铜面积（mm2)	50毫米×50毫米：2500
Copper_Thickness_oz	印刷电路板铜厚度（盎司）	1盎司铜平面：1
环境	环境温度（°C）	85°C： 85
低频机	气流 （LFM）	100LFM： 100
PCB_FR4_Thickness_mm	印刷电路板厚度（毫米）	2毫米厚FR4：2
Enable_Radiation	用于启用或禁用热辐射建模。大于零的值会启用辐射。默认值 1（启用）。	禁用辐射：0 启用辐射：1
环境辐射	热辐射模型目标的温度（°C）。默认环境。	85°C目标：85
环境对流	对流模型中使用的周围环境温度（°C）。默认环境。	85°C 环境：85
发射	热辐射模型中使用的PCB的发射率。默认值 0.8。	阻焊层：0.8 氧化铜：0.8 抛光铜：0.05
HCOV0	指定对流方程中使用的自然对流（无气流）传热系数。默认值 1.1625e-5宽/°C∙毫米2.	1.1625E-5

 

审核编辑：郭婷