電子設(shè)備中半導(dǎo)體元器件的熱設(shè)計(jì)

本文的關(guān)鍵要點(diǎn)

當(dāng)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)功耗增加的情況時(shí)，需要計(jì)算出瞬態(tài)峰值TJ。

在求瞬態(tài)溫升時(shí)，熱阻值使用瞬態(tài)熱阻值。

需要確認(rèn)瞬態(tài)峰值TJ是否超過TJ MAX。

在此之前我們已經(jīng)了解了在功耗恒定時(shí)估算TJ的計(jì)算示例，本文將介紹在功耗瞬時(shí)增加的條件下的計(jì)算方法和示例。

瞬時(shí)波動(dòng)示例

IC還使用與之前相同的LDO線性穩(wěn)壓器BD450M2EFJ-C。條件要考慮輸入電壓VIN如圖1所示產(chǎn)生瞬時(shí)波動(dòng)的情況。穩(wěn)態(tài)輸入電壓為13.5V，這里是一個(gè)在60s的周期內(nèi)、從13.5V變?yōu)?5V達(dá)3s時(shí)長(zhǎng)的例子。

當(dāng)輸入電壓發(fā)生瞬時(shí)波動(dòng)時(shí)，最終，功耗也會(huì)發(fā)生瞬時(shí)波動(dòng)，因此可以想象TJ也會(huì)隨之波動(dòng)。在這種情況下，需要使用瞬態(tài)熱阻計(jì)算出瞬態(tài)溫升，將瞬態(tài)溫升與穩(wěn)態(tài)TJ相加來計(jì)算TJ。

什么是瞬態(tài)熱阻?

嚴(yán)格來講，TJ通常從通電的時(shí)間點(diǎn)開始上升(發(fā)熱)，經(jīng)過一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定。正常的熱阻θJA是在穩(wěn)定狀態(tài)下的發(fā)熱量除以功耗而獲得的值。而瞬態(tài)熱阻則具有時(shí)間參數(shù)。在圖1的示例中，瞬態(tài)熱阻是VIN從13.5V變?yōu)?5V并經(jīng)過3s時(shí)所產(chǎn)生的熱量除以波動(dòng)的功耗而獲得的值。

圖2為瞬態(tài)熱阻示例。從圖中可以看出，瞬態(tài)熱阻ZTH隨著瞬態(tài)時(shí)間(脈沖寬度)的增加而增加，大約300s后熱阻值趨于穩(wěn)定。

瞬態(tài)熱阻通常會(huì)以曲線圖的方式提供，可以根據(jù)圖中的瞬態(tài)時(shí)間(脈沖寬度)來讀取瞬態(tài)熱阻值。從該圖中可以讀取到3s/周期(Duty)5%情況下的瞬態(tài)熱阻ZTH(黃綠線)為21℃/W。此外，40℃/W的穩(wěn)態(tài)值是作為封裝的θJA值提供的。

使用瞬態(tài)熱阻值進(jìn)行TJ估算時(shí)的示例

如前所述，TJ是將使用瞬態(tài)熱阻計(jì)算得到的瞬態(tài)溫升與穩(wěn)態(tài)TJ相加求得的。計(jì)算步驟是：先計(jì)算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)功耗，接下來使用它們的熱阻計(jì)算各自的溫升(發(fā)熱量)，然后，將穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)的發(fā)熱量之和加上TA，得到瞬態(tài)TJ。下面我們來具體計(jì)算一下。

1計(jì)算穩(wěn)態(tài)VIN=13.5V、VOUT=5.0V、IOUT=90mA、ICC=40μA(TYP)時(shí)的功耗。

2計(jì)算瞬態(tài)VIN=35V時(shí)的功耗P2。請(qǐng)記住，P2是包括穩(wěn)態(tài)P1=0.77W在內(nèi)的值。

3使用上述穩(wěn)態(tài)熱阻θJA=40℃/W和3s/Duty 5%的瞬態(tài)熱阻ZTH(3s)=21℃/W，分別計(jì)算出它們的TJ的溫升。瞬態(tài)期間的溫升是通過從P2中減去常溫下的功耗P1得到的功耗值計(jì)算出來的。

兩種溫升相加，求得整體的溫升。

4最后，通過加上瞬態(tài)環(huán)境溫度TA來求得TJA為65℃。

5這樣，我們就獲得了13.5V的VIN在60s的周期內(nèi)瞬時(shí)上升到35V達(dá)3s時(shí)長(zhǎng)的條件下的最大TJ。圖3是VIN瞬態(tài)變化與溫升關(guān)系示意圖。由于圖2所示的瞬態(tài)熱阻特性具有時(shí)間參數(shù)，因此溫升波形是VIN的積分波形。

此前的TJ計(jì)算是為了掌握功耗瞬時(shí)增加時(shí)的TJ峰值。還有一種不同的方法，是通過平均功耗來估算TJ。下面是在上述相同條件下的計(jì)算示例。熱阻值使用穩(wěn)態(tài)熱阻θJA=40℃/W。

在前面的計(jì)算中，瞬態(tài)期間的溫升為71.3℃，因此我們可以看出平均功耗的計(jì)算方法在這種情況下是不適用的。

在熱計(jì)算中最重要的確認(rèn)要點(diǎn)是TJ是否超過了絕對(duì)最大額定值TJ MAX。絕對(duì)最大額定值是即使一瞬間也不能超過的值，因此有必要知道瞬態(tài)期間的峰值溫度。

當(dāng)瞬態(tài)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)(暫且不論這是否稱為“瞬態(tài)”)，例如，在圖2的示例中，當(dāng)脈沖寬度超過300s時(shí)，瞬態(tài)熱阻=穩(wěn)態(tài)熱阻，因此只要通過穩(wěn)態(tài)熱阻求最大功耗時(shí)的TJ，并確認(rèn)該值小于TJ MAX即可。

原文標(biāo)題：R課堂 | TJ的估算：使用瞬態(tài)熱阻的計(jì)算示例

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審核編輯：湯梓紅