---功率密度日益增加的發(fā)展趨勢要求人們對熱傳遞給予更高的關(guān)注,設(shè)計(jì)師必須想方設(shè)法實(shí)現(xiàn)足夠的散熱,以確保電路元件的溫度不超過規(guī)定的溫度極限值。
---在眾多可用的熱設(shè)計(jì)工具中,最為重要的一個(gè)便是被稱為“結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱阻”的參數(shù)θJA。本文將說明θJA的測量方法,并簡述針對工作于靜止空氣中的電路的熱設(shè)計(jì)程序。其首要之處是一種原型設(shè)計(jì)技術(shù),該技術(shù)允許在芯片處于工作狀態(tài)時(shí)對其結(jié)溫進(jìn)行直接測量。本文通篇均以采用了MAX1811線性電池充電器的電路作為實(shí)例來進(jìn)行闡述。 結(jié)溫和熱阻的基本知識
 ---如需維持一個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性[1],則必須確保芯片的結(jié)溫不會(huì)超過其允許的最大值,因此熱設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)便是限制芯片的結(jié)溫。廠商通常在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中給出芯片結(jié)溫的最大值,例如,MAX1811的最高硅片溫度為150℃,工作溫度為-40～+85℃,存儲溫度為 -65～+150℃,引腳溫度(焊接時(shí)間為10秒)為+300℃,在環(huán)境溫度為70℃時(shí)的連續(xù)功耗為1.4W,功耗降額因子為17.5mW/℃。
---芯片結(jié)溫難以直接測量,原因是其封裝使得無法接觸到結(jié)點(diǎn)。作為一種替代方案,可以利用結(jié)點(diǎn)至外殼熱阻θJC和外殼至環(huán)境熱阻θCA來計(jì)算結(jié)溫,如圖1所示。熱阻是確定芯片結(jié)溫的最為重要的參數(shù),θJA =θJC+θCA。
---未提供θJA參數(shù)的制造商可能會(huì)提供θJA的倒數(shù),它是功耗降額因子。例如,MAX1811的功耗降額因子為17.5mW/℃,17.5mW/℃的倒數(shù)是 57℃/W,即θJA為57℃/W。如果把溫度看作電壓而將功率看作電流,則圖1中的熱學(xué)模型就類似于歐姆定律,V=I*R(歐姆定律),T=P*θ((熱學(xué)模型)。下面以MAX1811為例,計(jì)算在30℃的環(huán)境溫度中耗散1W(PD)功率時(shí)的結(jié)溫TJ。
---TJ=PD·(θJC+θCA)+TA
---TJ=1W×57℃/W+30℃=87℃
---為了更好地理解圖1所示的熱學(xué)模型,不妨來看一下θJC和θCA實(shí)際上代表什么。θJC是從諸如硅片尺寸、引線框架和外殼材料等芯片封裝特性推導(dǎo)出來的,這些特性是不會(huì)改變的[2]。而 θCA則與諸如強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻、封裝的安裝形式、走線寬度以及外部散熱器等外部變量直接相關(guān)。因此,θCA代表的是從芯片(封裝和安裝)至外部空氣的傳熱通路。
---在計(jì)算電子系統(tǒng)的傳熱通路時(shí),必須考慮該通路中的材料的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料導(dǎo)熱能力的指標(biāo),表1是常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)。熱傳導(dǎo)主要是通過系統(tǒng)的金屬部分進(jìn)行的,塑料(環(huán)氧樹脂)部分對傳熱通路的影響微乎其微。
---由于θCA取決于外部變量,而θJA會(huì)隨其環(huán)境的變化而發(fā)生改變,因此,制造商們通過在θJA的測量過程中保持標(biāo)準(zhǔn)測試條件的方法來確保獲得準(zhǔn)確且有意義的數(shù)據(jù)[3]。這些標(biāo)準(zhǔn)測試條件在多篇由電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)(EIA)和JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)編制的JESD51文件中都有說明,所有這些文件均可從www.jedec.org網(wǎng)站免費(fèi)下載。由制造商提供并按照J(rèn)ESD51進(jìn)行測量的θJA參數(shù)可被用來對采用相同電子封裝的不同器件以及采用不同電子封裝的相似器件的熱學(xué)特性進(jìn)行比較[4]。以一款采用不同封裝的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器MAX4366的熱性能為例,采用8引腳SOT23封裝時(shí),MAX4366的θJA為103℃/W;采用8引腳扁薄QFN封裝時(shí),MAX4366的θJA為41℃/W。顯然,在把熱量傳導(dǎo)至遠(yuǎn)離MAX4366的地方這一點(diǎn)上,8引腳扁薄QFN封裝要比8引腳SOT23封裝勝出一籌。對于采用8引腳扁薄QFN封裝并工作于JEDEC51標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中的MAX4366,可以估算出芯片每耗散1W功率,其結(jié)溫將在環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上升高41℃。
---在采用制造商所規(guī)定的θJA值來估算結(jié)溫時(shí)必須謹(jǐn)慎,因?yàn)榫唧w應(yīng)用與制造商的測試環(huán)境之間的任何差異都將產(chǎn)生相去甚遠(yuǎn)的θJA值。例如,若制造商遵照J(rèn)ESD51標(biāo)準(zhǔn)并在器件工作于1立方英尺的靜止空氣中的條件下測量θJA,則該參數(shù)值將無法對工作于移動(dòng)電話中(此時(shí)的靜止空氣量非常有限)的相同器件的熱性能做出準(zhǔn)確的預(yù)測。 在應(yīng)用中測量熱阻
---由于θJA取決于設(shè)計(jì)中的布局和其他物理因素,因此采用JESD51標(biāo)準(zhǔn)所確定的θJA值可能并不適用某種特定的應(yīng)用。如前文所提到的那樣,標(biāo)準(zhǔn)的JESD51環(huán)境是一立方英尺的靜止空氣且器件被安裝在一塊較大的標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板上,這與目前許多應(yīng)用的工作條件大相徑庭。PDA、筆記本電腦、移動(dòng)電話和數(shù)碼相機(jī)等都把許多芯片安裝在了位于很小外殼中的小面積電路板上。對于原型設(shè)計(jì),可通過直接測量θJA來保證與芯片的絕對最大額定值的一致性,即使在要求苛刻的特定應(yīng)用環(huán)境中亦不例外。由于下文概要介紹的程序會(huì)使器件承受過大的應(yīng)力,因此應(yīng)將其視作一種原型設(shè)計(jì)工具,建議不要把它用于器件的生產(chǎn)。
---在θJA的測量中需要三個(gè)參數(shù)：
---θJA=(TJ-TA)/PD,
---式中的PD為芯片的功耗,TA為環(huán)境溫度,TJ為芯片的結(jié)溫。PD和TA容易測得,但TJ的測量并不容易,因?yàn)樾酒姆庋b使得無法夠到內(nèi)部結(jié)點(diǎn)。不過,可以通過將一個(gè)現(xiàn)有的片上二極管作為溫度檢測元件的方法來測量TJ。大多數(shù)芯片都內(nèi)置了一個(gè)用于提供靜電放電(ESD)保護(hù)的二極管,該二極管同樣適合用作溫度檢測元件。 溫度檢測ESD二極管位置的確定和特性分析
---為了確定一個(gè)芯片的結(jié)溫,需要一個(gè)用于計(jì)算ESD二極管工作特性與溫度之間相互關(guān)系的公式。該二極管計(jì)算公式的獲得分4個(gè)步驟,然后就能夠利用該公式來計(jì)算作為ESD二極管正向電壓的函數(shù)的TJ。
 ---第1步是在芯片內(nèi)部找出一個(gè)合適的ESD二極管。首先,需要找出一個(gè)能夠在芯片處于工作狀態(tài)的情況下被施加正向偏壓的內(nèi)部ESD二極管。某些芯片可能沒有適合于測量結(jié)溫的ESD二極管,但有些數(shù)據(jù)表明確指示了內(nèi)部ESD二極管的位置(圖6給出的MAX1169數(shù)據(jù)表即為一例)。另外,根據(jù)芯片的絕對最大額定值表來推斷ESD二極管的位置也是一個(gè)有效的辦法。
---在利用絕對最大額定值來確定ESD二極管位置的過程中,有一條很有用的線索,就是“0.3V”這個(gè)數(shù)字,它是一個(gè)二極管在工作于其最大結(jié)溫(對于Maxim公司的器件而言通常為150℃)條件下時(shí)的正向電壓。表2列出了MAX1811部分管腳電壓的絕對最大額定值,包括了三個(gè)暗指ESD二極管位置的“0.3V”。由圖2可見,IN、BATT、SELI、CHG、EN和SELV引腳均包括ESD二極管,它們將這些引腳上的電壓箝位于地電位以下不超過一個(gè)二極管壓降的電平上。SELV引腳還包括一個(gè)將其電壓箝位于VIN之上不超過一個(gè)二極管壓降的二極管。
---為了正確理解絕對最大額定值,且所考慮的ESD二極管適于用作溫度檢測元件,需要采用一個(gè)置于“二極管檢查”模式的標(biāo)準(zhǔn)萬用表來對這些二極管進(jìn)行測試。那些能夠?qū)?shù)字輸入箝位于GND的ESD二極管非常適合用作溫度檢測元件。
---第2步是對二極管的溫度性能進(jìn)行特性分析。當(dāng)找出了一個(gè)合適的ESD二極管之后,必須對其溫度性能進(jìn)行特性分析。為了獲得精確的測量結(jié)果,應(yīng)當(dāng)(最好)對每個(gè)元件單獨(dú)進(jìn)行特性分析,但是如果必須測量的元件很多,則通常的做法是抽取其中的10～12個(gè)進(jìn)行特性分析,并取相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值,以作為整批元件的測試結(jié)果[5]。這樣,器件與器件之間的任何失配均是由于二極管特性的離散(理想因子)所致。當(dāng)測試大量的器件時(shí),該因子將最終決定溫度測量的準(zhǔn)確與否。
 ---MAX1811的ESD二極管的特性分析曲線如圖3所示,是從布設(shè)于SELV和GND引腳之間的二極管獲得的,該曲線表明正向二極管電壓會(huì)隨著溫度的上升而下降。被測試的器件(這里是MAX1811)必須是未加電的,并將所有的引腳浮置(用于連接溫度檢測元件的引腳除外),通過在器件未加電的情況下對ESD二極管進(jìn)行特性分析并在獲取測量結(jié)果之前讓溫度先穩(wěn)定下來的方法,就可以確保環(huán)境溫度與結(jié)溫相等。由于DUT中的功耗極低(僅產(chǎn)生自二極管),因此不存在自發(fā)熱現(xiàn)象。于是,二極管溫度與環(huán)境溫度相等,如圖4所示。
 ---如圖4所示,ESD二極管是由一個(gè)電流源來激勵(lì)的。決定激勵(lì)電流大小的因素有好幾個(gè)。它應(yīng)當(dāng)足夠大,以便忽略噪聲和二極管漏電流的影響(對于大多數(shù)器件來說,這意味著激勵(lì)電流應(yīng)大于50nA)。它必須足夠小以便與器件的絕對最大額定值相符(對于Maxim的器件而言,這往往意味著激勵(lì)電流應(yīng)小于2mA)。為了避免影響器件的性能,激勵(lì)電流還應(yīng)當(dāng)足夠小。該極限值可以通過試驗(yàn)來獲得,方法是在使電流流過ESD二極管的同時(shí)監(jiān)視器件的重要特性。就MAX1811而言,大于3μA的電流將使其充電電流增加至正常工作條件以外。激勵(lì)電流應(yīng)足夠小,以避免產(chǎn)生嚴(yán)重的自發(fā)熱。但是,由于設(shè)定了上述的2mA最大限值,所以這種現(xiàn)象通常不會(huì)發(fā)生。MAX1811的校準(zhǔn)曲線是在1nA至1000nA的激勵(lì)電流條件下獲得的。MAX1811 ESD二極管的校準(zhǔn)曲線(圖3)表明,對于一個(gè)給定的正向電流,正向電壓將隨著溫度的上升而下降。
---第3步是獲得一個(gè)測試曲線以校驗(yàn)特征化數(shù)據(jù)。第2步中的數(shù)據(jù)是在采用一個(gè)未加電器件的情況下獲得的。為了確保在DUT加電時(shí)不出現(xiàn)重大偏移,測試曲線是在器件處于其最低功耗模式(靜態(tài))時(shí)被加電的情況下獲取的。圖5對MAX1811的特征化曲線 (TA=75℃)以及當(dāng)該器件在其靜態(tài)模式中被通電的情況下所獲得的測試曲線(TA=75℃)進(jìn)行了對比。當(dāng)在其靜態(tài)模式中由5V電源來供電時(shí),MAX1811大約吸收1mA的電流。根據(jù)Maxim公司提供的θJA值(57℃/W),該5W功耗應(yīng)使結(jié)溫升至環(huán)境溫度以上0.3℃。由于圖5中的測試曲線顯示結(jié)溫僅略有上升,且曲線形狀并未發(fā)生重大改變,即二極管的正向電壓未發(fā)生重大變化,所以校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被認(rèn)為是可靠的。
---第4步是由特征化數(shù)據(jù)來生成二極管計(jì)算公式。既然第3步已經(jīng)完成了對特征化數(shù)據(jù)的校驗(yàn),那么下一步,也是最后一步工作就是生成一個(gè)二極管計(jì)算公式。圖6給出的數(shù)據(jù)與圖3中所示的相同,但是繪制了恒定二極管電流條件下的二極管電壓與溫度的關(guān)系曲線。圖6中繪出的直線的斜率為K因子,它顯示當(dāng)正向電流恒定為900nA時(shí),正向二極管電壓將下降1.746℃/W。由于該數(shù)值(900nA)大到不受噪聲或漏電流的影響,并且小到不會(huì)給ESD二極管施加應(yīng)力或引發(fā)嚴(yán)重的自發(fā)熱現(xiàn)象,所以此電流能夠充當(dāng)激勵(lì)電流。 利用一個(gè)內(nèi)部ESD二極管來測量TJ
---當(dāng)采用圖6的MAX1811二極管計(jì)算公式時(shí),MAX1811的結(jié)溫計(jì)算是很簡單的。圖7是正常工作條件下的應(yīng)用電路,當(dāng)環(huán)境溫度為60℃、激勵(lì)電流為900nA時(shí),位于SELV和GND引腳之間的ESD二極管的正向電壓為233.6mV。利用在第4步中獲得的(并示于圖6)計(jì)算公式,可按以下方法來計(jì)算結(jié)溫。
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