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关键词:
功率耗散, 结温管芯温度
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APP 3500: Aug 12, 2005
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应用笔记3500
通过测量有源元件的管芯温度监控电子系统的热耗散
摘要:在利用众多有效手段进行热管理设计时,最关注的参数是结到环境的热阻(Θ
JA
)。本文介绍Θ
JA
的测量方法,并简述工作在空气不流通环境下的电路热管理设计。其中首要之处是仿真技术,该技术允许在硅器件处于工作状态时对其结温进行直接测量。本文通篇均以采用了MAX1811线性电池充电器的电路作为实例进行阐述。
结温和热阻的基础知识
热管理设计的主要目标是限制集成电路的结温。如
表1
所列的绝对最大额定值所示,所有集成电路生产厂家给出的参数中都包括最大工作结温。因此,如果要使某一系统具备高性能和高可靠性¹,电路板设计人员必须确保IC结温不超过其绝对最大额定值。
表1. MAX1811极限参数中与温度有关的数据,其结温的绝对最大额定值为150°C
Continuous Power Dissipation (T
A
= +70°C)
8-Pin SO (derated 17.5mW/°C above +70°C)
1.4W
Operating Temperature Range (°C)
-40 to +85
Storage Temperature (°C)
-65 to +150
Maximum Die Temperature (°C)
+150
Lead Temperature (°C, soldering, 10 seconds)
+300
由于IC封装使测量无法接触到结点,因此直接测量IC结温比较困难。作为一种替代方法,可以利用结到外壳的热阻(Θ
JC
)和外壳到外部环境的热阻(Θ
CA
)计算结温,如
图1
所示。在确定IC的结温时,热阻是最重要的参数:Θ
JA
= Θ
JC
+ Θ
CA
。
图1. 利用热阻计算IC结温的热状态电模型
未提供Θ
JA
的IC生产厂家多数会提供Θ
JA
的倒数,即功率耗散降额因子。例如,从表1可知,MAX1811的功率耗散降额因子是17.5mW/°C,17.5mW/°C的倒数是57°C/W,即Θ
JA
为57°C/W。
如果将温度等效为电压,将功率等效为电流,则图1所示的热模型类似于欧姆定律,下面以MAX1811以例,计算环境温度为30°C,功耗为1W (P
D
)时的结温(T
J
):
V=I*R (欧姆定律)
T = P*Θ (热模型)
T
J
= P
D
* (Θ
JC
+ Θ
CA
) + TA
T
J
= 1W * 57°C/W + 30°C
T
J
= 87°C
为了更好地理解图1所示的热模型,有必要了解Θ
JC
和Θ
CA
的实际含义。Θ
JC
是从IC的封装特性,如晶元尺寸、引线框架和外壳材料推导出来的。这些特性对于IC封装来说,是特定不变的。而Θ
CA
则与通风冷却条件、封装及安装形式、走线宽度与外部散热器等因素有关。所以,Θ
CA
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