TJ的估算:使用瞬态热阻的计算示例

电子设备中半导体元器件的热设计

本文的关键要点

・当预计会出现瞬时功耗增加的情况时,需要计算出瞬态峰值TJ

・在求瞬态温升时,热阻值使用瞬态热阻值。

・需要确认瞬态峰值TJ是否超过TJ MAX

在此之前我们已经了解了在功耗恒定时估算TJ的计算示例,本文将介绍在功耗瞬时增加的条件下的计算方法和示例。

瞬时波动示例

IC还使用与之前相同的LDO线性稳压器BD450M2EFJ-C。条件要考虑输入电压VIN如图1所示产生瞬时波动的情况。稳态输入电压为13.5V,这里是一个在60s的周期内、从13.5V变为35V达3s时长的例子。

当输入电压发生瞬时波动时,最终,功耗也会发生瞬时波动,因此可以想象TJ也会随之波动。在这种情况下,需要使用瞬态热阻计算出瞬态温升,将瞬态温升与稳态TJ相加来计算TJ

什么是瞬态热阻?

严格来讲,TJ通常从通电的时间点开始上升(发热),经过一定时间后趋于稳定。正常的热阻θJA是在稳定状态下的发热量除以功耗而获得的值。而瞬态热阻则具有时间参数。在图1的示例中,瞬态热阻是VIN从13.5V变为35V并经过3s时所产生的热量除以波动的功耗而获得的值。

图2为瞬态热阻示例。从图中可以看出,瞬态热阻ZTH随着瞬态时间(脉冲宽度)的增加而增加,大约300s后热阻值趋于稳定。

瞬态热阻通常会以曲线图的方式提供,可以根据图中的瞬态时间(脉冲宽度)来读取瞬态热阻值。从该图中可以读取到3s/周期(Duty)5%情况下的瞬态热阻ZTH(黄绿线)为21℃/W。此外,40℃/W的稳态值是作为封装的θJA值提供的。

使用瞬态热阻值进行TJ估算时的示例

如前所述,TJ是将使用瞬态热阻计算得到的瞬态温升与稳态TJ相加求得的。计算步骤是:先计算稳态和瞬态功耗,接下来使用它们的热阻计算各自的温升(发热量),然后,将稳态和瞬态时的发热量之和加上TA,得到瞬态TJ。下面我们来具体计算一下。

计算稳态VIN=13.5V、VOUT=5.0V、IOUT=90mA、ICC=40μA(TYP)时的功耗

计算瞬态VIN=35V时的功耗P2。请记住,P2是包括稳态P1=0.77W在内的值。

使用上述稳态热阻θJA=40℃/W和3s/Duty 5%的瞬态热阻ZTH(3s)=21℃/W,分别计算出它们的TJ的温升。瞬态期间的温升是通过从P2中减去常温下的功耗P1得到的功耗值计算出来的。

稳态温升 

瞬态温升 

两种温升相加,求得整体的温升。

整体温升 

最后,通过加上瞬态环境温度TA来求得TJA为65℃。

瞬态的 

这样,我们就获得了13.5V的VIN在60s的周期内瞬时上升到35V达3s时长的条件下的最大TJ。图3是VIN瞬态变化与温升关系示意图。由于图2所示的瞬态热阻特性具有时间参数,因此温升波形是VIN的积分波形。

此前的TJ计算是为了掌握功耗瞬时增加时的TJ峰值。还有一种不同的方法,是通过平均功耗来估算TJ。下面是在上述相同条件下的计算示例。热阻值使用稳态热阻θJA=40℃/W。

平均功耗 ※0.05来自Duty=5%
平均温升 

在前面的计算中,瞬态期间的温升为71.3℃,因此我们可以看出平均功耗的计算方法在这种情况下是不适用的。
在热计算中最重要的确认要点是TJ是否超过了绝对最大额定值TJ MAX。绝对最大额定值是即使一瞬间也不能超过的值,因此有必要知道瞬态期间的峰值温度。

当瞬态时间足够长时(暂且不论这是否称为“瞬态”),例如,在图2的示例中,当脉冲宽度超过300s时,瞬态热阻=稳态热阻,因此只要通过稳态热阻求最大功耗时的TJ,并确认该值小于TJ MAX即可。

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