包含热模型的新型MOSFET PSPICE模型

 

　　1. 引言

　　散热器在计算时会出现误差，一般说来主要原因是很难精确地预先知道功率损耗，每只器件的参数参差不齐，并不是一样的，而且在芯片上各处的温度也是不同的。结果是，安全的裕度可能离开最优值很远。现在出现了很多功能很强的模拟仿真工具，因此有可能在预测功率损耗和热设计的校核方面做一些改

　　2. 热阻

　　发散出去的功率Pd 决定於导热性能，热量流动的面积以及温度梯度，如下式所示：

　　Pd=K*An•dT/dx (2.1)

　　式中 An 是垂直於热量流动方向的面积，K 是热导，而T是温度。可是这个公式并没有甚麽用处，因为面积An 的数值我们并不知道。对於一只半导体器件，散发出去的功率可以用下式表示：

　　Pd=?T/Rth (2.2)

　　以及 　　Rth = ?T/ Pd (2.3)

　　其中?T 是从半导体结至外壳的温度增量，Pd 是功率损耗，而Rth 是稳态热阻。芯片温度的升高可以用式(2.2) 所示的散热特性来确定。考虑到热阻与时间两者之间的关系，我们可以得到下面的公式：

　　Zth(t)= Rth•[1-exp(-t/t )] (2.4)

　　其中(是所讨论器件的半导体结至外壳之间的散热时间常数，我们也认为 "Pd" 是在脉冲出现期间的散发出去的功率。那麽，我们可以得到：

　　?T(t)=Pd• Zth(t) (2.5)

　　如果 Pd 不是常数，那麽温度的瞬态平均值可以近似地用下式表示：

　　?T(t)=Pavg(t) •Zth(t) (2.6)

　　其中Pavg(t) 是散发出去的平均功率。作这个假定是合情合理的，因为瞬态过程的延续时间比散热时间常数短。由於一只MOSFET的散热时间常数为100ms的数量级，所以一般这并不成其为问题。热阻可以由产品使用说明书上得到，它一般是用“单脉冲作用下的有效瞬态过程的热阻曲线”来表示。

　　

 

　　

 

　　图 1 Zth(t)　瞬态热阻

　　3. SPICE 的实现

　　本文提出的模型使用一种不同的PSPICE 模拟量行为模型(ABM)建模技术。事实上，利用这种建模方法，使用者可以用数学的方法建立模型，不必使用更多的资源。

　　可以看到，由SPICE内的MOSFET模型，并不能以温度结点的形式直接得到温度。然而，可以用图4中所示的“窍门”来解决这个问题。

　　为了做到这点，把MOSFET M1表示成为一个普通的 Level-3 MOS模型 加上一个电路。 晶体管 M1 仅仅是“感知”温度，温度是指通用的SPICE变量“Temp”。为了评价温度对漏极电流的影响(由M1我们只能够确定在温度“Temp” 例如在 27 °C时，电流随著漏极电压的变化)，增加了电路 G1 。这部份电路可以看成是电流受控制

　　进。然而，为了确保长期可靠性，运用复杂的限流技术可以更进一步地把最高结温(或者最大功率损耗)维持在一个预定的数值以下。 动态负载变化所引?的任何热响应的改变都可以直接地进行测量，并且用闭路控制的方法来修正。