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電子系統的小型化趨勢對電子產業產生了一系列重要影響，其中，合理的熱設計和優化的重要性與日俱增。現在的手持設備和便攜式系統可以實現很高的功率重量比，其好處包括節省材料和降低總體成本。但是小型化是有代價的，尤其是對熱管理而言。從一個緊湊的系統把熱量散發出去，要比在大系統中完成此項任務的設計難度更大，這要求所有的系統設計師都對功率半導體器件的熱行為有一定的了解。在很多系統中，MOSFET是核心的功率管理器件，而且MOSFET還容易受到各種應力的影響，因此了解功率MOSFET的發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知識，而除了MOSFET制造商自己，其他人對這些知識知之甚少。基于RC網絡的行為模型是不夠的，因為難以保持邊界條件的獨立性，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。系統設計師需要的是專用軟件，要求有功率建模功能，而不是供非專業用戶使用的非常簡單的軟件。 當然根據它們各自的應用領域，這些工具的先進功能只能在封裝、PCB級別發揮出來，或者是在外殼級別，但肯定不是在所有的級別。 ANSYS和其他有限元分析工具在分析MOSFET熱行為時相當有效，但是需要很復雜的專業知識，而且它們的功能也要比應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、傳熱和機械問題。然而，軟件的復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化了創建模型和組合的過程。 在使用功率MOSFET時，系統級設計師需要了解這些器件的實際三維狀況。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，就相當于公布了很多知識產權和技術秘密。因此，難題就在于既要以模型的方式提供這些信息，又不會透露器件的技術細節。 Vishay就利用這種方法開發了在線熱仿真工具ThermaSim。設計所需的全部數據都被提取到復雜的模型中，然后設計者就可以直接利用模型，仿真各種應用和設計方案中的任何Vishay Siliconix的MOSFET。 為創建可用于ThermaSim的模型，Vishay使用了REBECA-3D，該平臺可以讓用戶一步一步地構建出器件的3D模型。除此以外，REBECA-3D還可以把各種器件特性賦予結構中的各種元件，然后置入特定的“域”。當器件模型創建完之后，REBECA-3D會定義操作環境，包括PCB板的特征參數、器件在PCB板上的位置、電源外形和時間因子、環境溫度、散熱和氣流的效果，以及電路板在系統內的方向(水平、垂直、右側朝上或正面朝下)。REBECA-3D使用邊界元方法，解決了傳統數學方法的計算時間過長的問題，而計算時間與電子器件的幾何比例因子有關。 簡單來說，REBECA-3D沒有把各種結構形態看做是實心的，軟件從組成3D結構的8個面的視角去進行熱分析。這種方法實現了高粒度的分析，同時允許使用邊界元方法求解傳導方程，包括非線性材料、穩態應用、無內部網格的方程。然而，用這種方法進行熱仿真得到的數據，對系統設計來說已經是足夠了。在其他情況下，瞬時的高功率幅值決定了模型和邊界條件的臨界值，這時甚至需要把內部網格也考慮在內。 Vishay公司的網站上提供了ThermaSim，這個易用、免費的網絡熱仿真工具可以和Vishay的在線MOSFET庫一起使用。ThermaSim能在幾分鐘內提供熱分析的結果，而且可以應客戶的需要進行定制的改寫。本文提供了一個特殊的例子，通過與實際測試結果的對比，對ThermaSim仿真進行評估。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。 DC/DC應用中的功率MOSFET 在下面的例子中，對用于DC/DC降壓轉換器中(圖1)的Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET進行了分析。為分析器件的性能，使用了Vishay的ThermaSim在線熱仿真工具(在Vishay的網站提供，網址http://www.vishay.com/mosfets/thermasim/)。要使用該工具，首次使用的用戶需要進行注冊，創建用戶名和密碼。 
圖1：用于分析的DC/DC降壓轉換器，其中采用了Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET。 在這個例子中，分析了使用SiP12201印刷電路板的降壓DC/DC轉換器中Si7392DP和Si7892BDP的熱性能。 設計數據庫完成注冊和創建用戶名和密碼以后，仿真的第一步是輸入應用數據。輸入數據如下： (a)典型的情況是，在DC/DC轉換器中，主要的功率耗散產生于三個器件：高邊和低邊功率MOSFET(Q1和Q2)，以及輸出電感(L1)。與熱分析有關的電數據： 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數據： 機械結構的詳細數據： (i) PCB長度 (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) 預計的覆銅面積比例 = 80 % 底層： (vii) 材料 = 銅 (viii) 厚度= 0.076 mm (2 盎司) (ix) 預計的覆銅面積比例 = 60 % 兩個內部導電層： 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) 預計的覆銅面積比例= 100 % 三個內部絕緣層： (xiii) 材料 = FR-4 環氧玻璃 (xiv) 厚度 = 0.46 mm (c) 3個功率耗散器件的坐標: (i) Q1 坐標: X = 23.18 mm, Y = 18.09 mm (ii) Q2 坐標: X = 23.18 mm, Y = 12.38 mm (iii) L1 坐標: X = 40.00 mm, Y = 13.65 mm (d) 銅襯墊坐標: (i) Q1 襯墊坐標: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm (ii) Q2 襯墊坐標: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm (iii) L1 襯墊坐標: X = 25.00 mm, Y = 25.00 mm (e) 系統信息: (i) 環境溫度: 22℃ (ii) PCB板對地的安裝方向: 水平，器件在頂側 熱仿真設計 請訪問http://www.vishay.com/mosfets/thermasim/，登錄進入ThermaSim。ThermaSim的頁面將會打開。點擊“Here”，這是在第二段的最后一個單詞。輸入注冊的用戶e-mail地址和密碼。 第一步是確定仿真用到的器件。要填寫這個頁面，請使用圖2所示的設計數據庫。在“Vishay Product”欄，可以使用“Search”框，瀏覽封裝系列，或點擊滾動條的選擇列表，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。點擊在“Vishay Product”部分中的“Add”，“Component Selection List”部分會更新Si7392DP的信息。
圖2：設計數據庫示例。 在“Components”選項卡，可以用“Search”框、瀏覽封裝類型或通過選擇列表的滾動條，選擇要仿真的器件。 重復上述步驟，找到Si7892BDP和其他器件。“Component Selection List”應該和圖2相匹配。點擊頁面底部的“Next”，或選擇“PCB”選項卡。 第二步是使用圖3所示的設計數據庫，輸入PCB數值。在size X項輸入54，在size Y項輸入40，然后點擊“Add”。右邊的圖就會相應變化。點擊“Top Layer”選項卡，在材料項選擇“Copper 80 %”，輸入0.076做為厚度。
圖3：設計數據庫。 在“PCB”選項卡里， 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”選項卡，輸入內部仿真層的參數：材料是FR-4環氧玻璃，厚度是0.46mm。點擊“Add”和“Internal Layer List”框，就會與相鄰的圖表一起更新。 下面添加導電層：材料是銅，厚度是0.035mm(1.5盎司)，預計覆銅面積的比例是100%。點擊“Add”和“Internal Layer List”框，就會與相鄰的圖表一起更新。使用拷貝和粘貼命令，添加絕緣和導電層，如圖3所示。點擊頁面底部的“Next”，或選擇“Position”選項卡。 在第三步中，將會確定功率MOSFET和輸出電感器的位置。選中“Component Selection List”，分別輸入每個功率耗散器件的坐標： (i) Si7392DP (Q1) 坐標: X = 23.18 mm, Y = 18.09 mm. 點擊 “Add” (ii) Si7892BDP (Q2) 坐標: X = 23.18 mm, Y = 12.38 mm. 點擊 “Add” (iii) Component 1 (L1) 坐標: X = 40.00 mm, Y = 13.65 mm. 點擊 “Add” 重復上述步驟，輸入銅襯墊器件參數： (i) Si7392DP (Q1) 襯墊坐標: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm. 點擊 “Add” (ii) Si7892BDP (Q2) 襯墊坐標: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm. 點擊 “Add” (iii) Other component 1 (L1) 襯墊坐標: X = 25.00 mm, Y = 25.00 mm. 點擊 “Add” 輸入坐標以后，“Component Selection List”和相鄰的圖表就會更新。點擊頁面底部的“Next”，或選擇“System”選項卡。 第四步是選擇系統。選中“Infinite Environment”選項卡，輸入22℃做為環境溫度。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。點擊頁面底部的“Next”，或選擇“Setup”選項卡。 第五步完成仿真的設計工作。在“Simulation Settings”部分，選擇“Accuracy Level High 95 %.”，輸入你的e-mail地址，然后保存配置數據，以便以后再用。分別檢查每個器件的輸出數據框，點擊頁面底部的“Next”，或選擇“Run”選項卡。 最后一步是運行仿真，然后會彈出一個新窗口。檢查“Simulation Checking Summary”里的輸入數值，看是否有錯誤。如果所有輸入數據均無誤，點擊頁面底部的“Send Run”。如果輸入有誤，點擊cancel，返回設計并改正錯誤。 點擊完“Send Run,”以后，會打開一個新窗口，確認仿真已經被提交，結果會e-mailed給您。點擊“Close”返回設計，或退出瀏覽器，結束設計。 如果你需要幫助，點擊“Help”選項卡，尋求在線指導。你也可以點擊“E-mail”選項卡，發送建議、提出疑問或報告問題。 熱仿真結果 仿真結果的e-mail包含了設計數據輸入的摘要和兩個文件：包含仿真結果的PDF文件和文本文件。PDF文件的第一頁是是仿真輸入數據的摘要，接下來是設計中可用的導熱范圍。“仿真輸出”的開始部分是“整體輸出結果”，然后是各個器件的部分。PDF文件同時提供了數據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文件包含的仿真結果提供了數據表和帶溫度譜的彩色圖片。該圖顯示了Si7392DP的溫度譜。 文本文件總結了詳盡的信息。 最低系統溫度=101.64℃ 最高系統溫度=131.03℃ Tot flux PCB = 4.045 W, Tmin PCB = 101.64 ℃, Tmax PCB = 128.03 ℃ 器件數量=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 實驗測試 溫升的實驗測試是用ThermaSim完成的。圖5顯示了器件的溫度譜，圖6顯示了測試結果。下面的表1比較了兩個MOSFET的溫度。
圖5：器件的溫度譜。 器件溫升的實驗測試結果是用ThermaSim獲得的，彩色圖片顯示了它們的溫度譜。
圖6：測試結果。 下表提供的實驗測試結果的詳細說明
10.81℃和12.67℃大約相差10%，可能是由下面的幾個因素引起的： (1)PCB有幾個金屬端子和粗接地跳線(見圖1)。這些金屬幫助把PCB板上的熱量散發出去，降低了MOSFET的溫度。 (2)仿真工具無法計算PCB板上金屬的散熱效應，因此仿真的結果要高一些。 然而，仿真結果當中的正誤差間接地為我們提供了一個防止低估風險的安全防范措施，而低估在任何仿真當中都不是想要的結果。 我們可以認為，對于評估Vishay功率MOSFET的熱性能，并且得出一個安全的熱設計，使用ThermaSim得到的熱仿真結果是完全夠用的。 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，仿真工具對快速上升的重復性功率脈沖進行瞬態熱分析的能力有限。在最新版本的ThermaSim中，周期瞬態比不能小于0.01，時間步長不能小于0.01。今后的版本將改進這些分析能力，而且可以反復對重復性脈沖進行晶圓級的仿真，這樣就可以在幾微秒內完成對功率脈沖的仿真。 聲明：作者在此聲明，以上實驗測試的輸入數值是由Yuming Bai博士提供的。 作者：Vishay Siliconix公司Kandarp Pandya |
