高側開關在容性浪涌期間承受的大量熱耗散可能超過在功率耗散計算中計算出的器件平均功率耗散。如果器件結溫升至 T_j(Max) 以上并可能使器件進入過熱關斷狀態(tài)，這將引起可靠性問題。

針對平均功率耗散，我們按照Equation4 估算了結溫。然而，容性浪涌事件不是穩(wěn)態(tài)條件，且持續(xù)時間很短。由于熱阻抗依賴于輸入，高側開關可能能夠在浪涌事件期間在短時間內承受高于平均水平的功率耗散。

瞬態(tài)熱阻抗通常通過 Foster RC 網絡建模，如圖 3-13 所示。該模型將高側開關結溫 T_J 與環(huán)境溫度 T_A 以及熱 RC 網絡的響應與器件 P_DIS 中耗散的功率聯(lián)系起來。模型中的熱阻抗值在很大程度上取決于器件結構和封裝。Z_ΘJA 的定義如Equation25 所示。

該模型顯示，如果周期遠小于 RC 時間常數（用作高通濾波器），則功率的短脈沖對結溫的影響較小。如果時間周期很長，熱電容會限制功率，所有功率都會通過熱阻抗 R_1,2,3..n。模型中的這些熱阻抗之和為 R_ΘJA，這一參數在器件數據表中有相關規(guī)定。對快速功率瞬變的響應的建模結果將與圖 3-13 中的穩(wěn)態(tài)功率耗散進行比較。

在容性浪涌期間，Z_ΘJA、P_DIS 和 T_J 是時間周期的函數，如圖 3-13 所示。時間采用對數刻度，而 Z_ΘJA 是器件的時間相關熱阻抗（基于結點和環(huán)境空氣之間）。Z_ΘJA 根據特定器件的 Foster 模型的時間常數呈指數衰減。

Z_ΘJA 在浪涌周期 Δt 期間單調增加，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 出現在此周期的開頭，而衰減指數的總和 Z_ΘJA 在浪涌周期結束時達到峰值。

這種相反關系導致結溫在浪涌周期大約一半（即 Δt/2）處達到峰值。只要浪涌周期 Δt 小于器件的有效熱時間常數，或者在 Z_ΘJA 曲線變平之前，這一論斷都成立。對于大多數高側開關，此時間大約為 500s。

從數學角度來看，結溫是 Z_ΘJA 和 P_DIS 兩者的卷積，這兩者都隨時間變化，如Equation26 所示。計算此卷積以獲得 ΔT_j 非常困難，如果器件有支持熱性能的模型，最好將這個任務留給像 PSPICE 這樣的仿真器。

就設計而言，我們主要應該關注的是在浪涌周期內找出 T_J(Max)，而不是獲得任何時間點的 T_J 表達式。通過這樣的簡化計算，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。

有關瞬態(tài)熱阻抗 Z_ΘJA 的多個圖，請參閱附錄 A，并且這些圖針對表 3-1 中列出的每個 TI 高側開關而提供。

Equation27 的精度在 T_J(Max) 的 PSPICE 仿真結果的 ±10% 以內，但僅適用于浪涌時間 Δt < ~500s 或 Z_ΘJA 曲線變平的位點。超過此位點后，隨著峰值溫度晚于 Δt/2 出現，該近似值開始下沖。此時應使用 PSPICE、Simulink 或其他建模工具進行更高級的熱仿真。

可使用 2 通道或 4 通道導通情況下的瞬態(tài)熱數據 Z_ΘJA 對多通道器件重復此過程。但是，此數據僅適用于兩個通道同時導通且負載條件相同的情況。

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，由單個通道驅動 470μF 的電容性負載，電流限值 I_LIM 設置為 1A，電源電壓為 24V，環(huán)境溫度為 T_A = 25°C。

根據Equation18，我們發(fā)現浪涌周期持續(xù)時間為 Δt = 11.28ms。參考附錄 A 中的 TPS2H160-Q1 數據，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，因為我們僅在一個通道上進行驅動，得到 Z_ΘJA(Δt/2) = 5.4°C/W。

電流限制功能在浪涌周期內處于活動狀態(tài)，并導致高側開關中出現大量功率耗散。這是因為電流限制是通過控制 FET R_ON 實現的。在浪涌開始時，必須強制使 R_ON 比數據表規(guī)格高幾個數量級，這會導致 FET 通道中的高 I²R 損耗。

一旦器件將 FET 導通，FET 上的 V_DS 最初為 V_SUP，并在電容器負載充電后降低至接近 0V。這個初始點正是出現峰值功率耗散的地方。在我們使用 TPS2H160-Q1 的示例中，我們已設置 ILIM = 1A，因此峰值功率為 24V·1A = 24W。現在，為了計算浪涌期間的 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Equation28，我們在 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。因此，我們所處環(huán)境的 ΔT_J 為 86°C。

這是一個估計值，并且工作條件可能與設計時不同，因此建議在 T_J(Max) 和 150°C 之間留出足夠的余量。T_J 限制不當可能會觸發(fā)過熱關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熱振蕩關斷。浪涌期間會在 FET 結中出現最高溫度，因此針對 ΔT_J < T_SW 的設計可確保浪涌期間不會觸發(fā)熱振蕩關斷。T_FET T_CON 的時間在很大程度上取決于浪涌時的負載條件，因此 ΔT_J 也可能大于 T_SW 而不會觸發(fā)熱振蕩關斷。

為獲得準確的熱結果，強烈建議對 TI 的高側開關使用支持熱性能的 PSPICE 模型，確保能夠對 T_J、T_CON 和熱關斷進行建模。更多有關在 PSPICE 中對器件熱性能進行仿真的信息，請參閱《使用 PSpice 仿真器模擬 TI 智能高側開關中的熱行為》。