Eine Hot-Swap-Schaltung dient zum Begrenzen der Stromspitze, zu der es kommt, wenn ein Bauelement mit kapazitivem Eingang an eine anliegende Busspannung angeschlossen wird. Diese Spitzenstrombegrenzung soll ein Einbrechen (Drooping) der Busspannung und Betriebsstörungen anderer angeschlossener Komponenten verhindern.

Zu diesem Zweck verlängert die Hot-Swap-Funktion mit Hilfe eines seriellen Bauelements die Zeit, in der sich eine zusätzlich angeschlossene kapazitive Last auflädt. Dieses serielle Bauelement setzt während des Ladevorgangs folglich eine beträchtliche Verlustleistung um und erwärmt sich dabei.

Die meisten Hersteller von Hot-Swap-Komponenten empfehlen, anhand der Diagramme für den sicheren Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA) die Bauelemente so zu dimensionieren, dass sie nicht überlastet werden. Die SOA-Kurven in Bild 1 geben die akzeptablen Energie- und Verlustleistungsbereiche für ein Bauelement an, bei denen es sich in der Regel um sehr vorsichtige Schätzungen handelt.

Bei einem MOSFET ist vor allem darauf zu achten, dass die Sperrschichttemperatur den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet. Die Kurven zeigen in grafischer Form, dass der MOSFET aufgrund seiner thermischen Kapazität kurzzeitig hohen Verlustleistungen standhält. Dieser Umstand kann hilfreich bei der Entwicklung eines exakten thermischen Modells für eine weniger vorsichtigere, dafür aber realistischere Abschätzung des sicheren Betriebsbereichs sein.

Im Power-Tipp 9 wurde ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Abschätzung des thermischen Verhaltens eines Systems erläutert. Darin wurde aufgezeigt, dass eine Analogie zwischen Wärme und Strom, zwischen Temperatur und Spannung und zwischen dem thermischen und dem elektrischen Widerstand besteht. In diesem Power-Tipp wollen wir das Ersatzschaltbild um eine Analogie zwischen der thermischen und der elektrischen Kapazität erweitern.

Wird einer Materialmasse Wärme zugeführt, so kann ihr Temperaturanstieg als Funktion der Energie (Q), der Masse (m) und der spezifischen Wärme (c) berechnet werden:

 

Darin ist die Energie einfach das Integral der Leistung über der Zeit:

 

Setzt man die untere Gleichung in die obere ein, so ergibt sich die zur elektrischen Kapazität analoge thermische Größe (m*c):

 

Tabelle 1 enthält eine Liste der spezifischen Wärmewerte und Dichten einiger gängiger Werkstoffe. Diese Kenngrößen können beim Entwurf eines Modells für die thermischen Kapazitäten innerhalb einer Hot-Swap-Komponente von Nutzen sein.

Die thermische Kapazität lässt sich ermitteln, indem man einfach die physische Größe der verschiedenen Komponenten des Systems abschätzt, das mit dem Modell beschrieben werden soll. Die thermische Kapazität ist dann gleich dem Produkt aus dem Volumen, der Dichte und der spezifischen Wärme der Komponente. Daraus lässt sich das in Bild 2 gezeigte Modell ableiten.

Ausgangspunkt des Models ist eine Stromquelle (links oben), welche die analoge Größe zu der Wärme darstellt, die dem System zugeführt wird. Der Strom fließt sowohl in die thermische Kapazität des Chips als auch in dessen thermischen Widerstand. Vom Chip aus strömt Wärme in den Chipträger sowie in die Gehäuse-Vergussmasse. Die Wärme, die in den Chipträger strömt, gelangt anschließend in die Schnittstelle zwischen dem Gehäuse und der Wärmeableitfläche. Von der Wärmeableitfläche wird sie dann an die Umgebung abgegeben. Die Spannungen im hier dargestellten Schaltungsnetzwerk repräsentieren den Anstieg der Temperatur über das Umgebungsniveau.

Die thermischen Widerstände und Kapazitäten in diesem Netzwerk sind lediglich grobe Schätzwerte. Dennoch eignet sich dieses Modell zum Simulieren sowohl von Transienten als auch von DC-Größen. Es kann sicherlich dazu beitragen, von den vorsichtigen Schätzungen in den SOA-Kurven der Hersteller zu etwas realitätsnäheren Aussagen zu gelangen. Ich hoffe, Sie sind auch nächstes Mal wieder dabei, wenn wir die hier angefangene Diskussion mit einer Betrachtung von Durchgangselementen (Pass-Elementen) für Hot-Swap-Komponenten fortsetzen wollen. Wir werden dann auf einige der thermischen Zeitkonstanten in unserem Ersatzschaltbild eingehen.

Von: Robert Kollmann