電源應(yīng)用集成電路的一般熱分析

熱分析是材料科學(xué)的一個分支，它研究作為溫度函數(shù)的材料特性。所有集成電路在承受電壓時都會產(chǎn)生熱量。因此，為了將器件的結(jié)溫保持在最大允許值以下，應(yīng)提供對通過封裝的熱流的估計。

介紹

在封裝選擇過程中，熱管理是必不可少的，以確保產(chǎn)品的高可靠性。良好的熱評估需要結(jié)合分析計算、經(jīng)驗分析和熱建模。問題是確定特定集成電路在高溫下是否可靠。不遵循特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在 DC 模式操作中，一些參數(shù)起作用，例如熱阻 (θ _JA ) 和結(jié)溫 (θ _JC）。熱阻是熱導(dǎo)的倒數(shù)，測量物體或材料抵抗熱流的溫度差。另一方面，結(jié)溫是雙極晶體管、MOSFET 和整流器的半導(dǎo)體熱分析中的一個重要因素。目前，該術(shù)語用于所有電源設(shè)備，包括 IGBT 設(shè)備。在 AC 模式下或 LED 由使用 PWM 調(diào)制的 MOSFET 驅(qū)動的情況下，有必要定義瞬態(tài)熱數(shù)據(jù)。我們應(yīng)該回答的問題是：在遇到熱問題之前，芯片可以在某個功率水平下運(yùn)行多久？在接下來的段落中，我們將嘗試做的是確定與功耗相關(guān)的熱方程，以便可以將芯片的結(jié)溫預(yù)測為時間的函數(shù)。這種方法將用于任何類型的芯片。基于這些方程，將定義一個 RC 等效電路模型（使用 SPICE 很容易模擬），代表 IC 的瞬態(tài)熱特性。

熱力學(xué)

溫度和時間之間的關(guān)系源自兩個主要定律：牛頓冷卻定律和能量守恒定律。第一個可以表示如下：

其中 T _B是體溫，T _A是環(huán)境溫度，K _A是比例常數(shù)。相反，第二個由以下關(guān)系給出：

其中 P 是施加到物體上的功率，m 是質(zhì)量，c 是比容量。牛頓定律指出，身體熱量損失的速度與身體與環(huán)境之間的溫度差成正比。另一方面，能量守恒定律表明能量不能被創(chuàng)造或消失，而只能從一種形式改變?yōu)榱硪环N形式或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。結(jié)合前面提到的方程，我們得到了本文下一部分所需的公式：

如上所述，熱阻是要分析的第一個因素：它可以很容易地在 IC 數(shù)據(jù)表中找到。計算應(yīng)在熱平衡條件下進(jìn)行，即：

我們現(xiàn)在可以使用以下關(guān)系計算功率：

在哪里：

該參數(shù)是物體與外界環(huán)境之間的熱阻。

熱模型

此時，應(yīng)定義物理數(shù)學(xué)模型，以便應(yīng)用上述方程。圖 1 顯示了安裝在 PCB 上的芯片的示意圖：涉及不同的材料，包括環(huán)氧樹脂、芯片和封裝。我們將要分析的模型基于熱流方向：熱量從外部源流向模具（當(dāng)主要熱源為外部時）和熱從模具流向環(huán)境（當(dāng)主要熱源為外部時）死）。

在第一種情況下，我們將求解第二段中計算的關(guān)于 T _{B 的}微分方程 (dT _B /dt) 。無需過多贅述，我們將得到的方程如下：

當(dāng)熱源為外部時，前面的公式可用于估算芯片溫度（在封裝和管芯層面）。一個例子是靠近大電流芯片的 MOSFET，它會散發(fā)大量熱量。 我們現(xiàn)在可以考慮另一種情況，其中物體在管芯上產(chǎn)生熱量并通過環(huán)氧樹脂和封裝在環(huán)境中散發(fā)熱量. 為了解決這個系統(tǒng)，有必要定義所有三個物體的微分方程：

其中 T _Bi （i = 1、2 和 3）是主體（芯片、環(huán)氧樹脂和封裝）的瞬時溫度。術(shù)語 P 表示從一個物體傳輸?shù)搅硪粋€物體的功率（例如，P ₁₂是從物體 1 傳輸?shù)轿矬w 2 的功率），而 P _G是源功率。考慮單體的冪P的表達(dá)式并應(yīng)用拉普拉斯變換，我們得到每個體的以下三個微分方程：

而以下公式給出了模具的溫度：

其中T_我變量是積分常數(shù)，米_我 系數(shù)是k的函數(shù)_我和θ _IJ是從本體的熱阻i到身體?。要求解上述方程，我們需要知道所有參數(shù)。為了避免繁瑣的計算，我們可以嘗試將模型實現(xiàn)為一個簡單的RC網(wǎng)絡(luò)，這樣我們就可以使用電路分析軟件（Spice）通過確定相關(guān)參數(shù)來求解微分方程。

主要思想是使用無源 RC 電路對上一段中獲得的微分方程進(jìn)行建模，以模擬管芯上產(chǎn)生的功率。如圖 2 所示，電容器上的電壓代表管芯 (C ₁ )、環(huán)氧樹脂 (C ₂ ) 和封裝 (C ₃ )的初始溫度。V _A表示環(huán)境溫度，而 I _S（進(jìn)入電容器 C ₁的電流）是管芯上產(chǎn)生的功率。替換V _C1和T _B1，V _C2和T _B2，V _C3和T _B3和我_小號以P _?，我們得到以下微分方程：

電容器上的電壓直接對應(yīng)于芯片各部分的溫度。

模具溫度測量

可以使用不同的技術(shù)進(jìn)行芯片溫度測量。其中之一利用了 ESD 二極管的正向壓降。為確保測量精度水平在允許范圍內(nèi)，所選的 ESD 二極管不應(yīng)具有大的寄生電阻。此外，建議將二極管放置在非?？拷酒顭狳c的位置。如果您選擇使用FET的 R _ds (on) 作為溫度指示器進(jìn)行操作，您必須確保 FET 在測量點處于壓降模式。R _ds (on)，即導(dǎo)通電阻，表示晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時的內(nèi)阻（V _GS= 0）。ESD二極管連接在芯片引腳和電源電壓之間，直接極化。由于我們通過測量獲得二極管上的電壓，因此我們還必須考慮二極管上的電壓與溫度之間的關(guān)系。

RC網(wǎng)絡(luò)測量

MAX16828/MAX16815 LED 驅(qū)動器將用于測試剛剛描述的模型。這些芯片可以在高達(dá) 40V 的電壓下工作，只需要幾個外部組件。MAX16828 提供約 200 mA 的最大 LED 電流。這兩種驅(qū)動器都用于汽車應(yīng)用，例如側(cè)燈、外部燈、背光和指示燈。為了獲得芯片溫度的直接指示，測量連接在 DIM 和 IN 引腳之間的內(nèi)部 ESD 二極管的直流電壓。吸收電流約100μA，產(chǎn)生約2mV/K的電壓變化。圖 3 顯示了一個可行的電路配置。

圖 3 的配置確保讀取和估計溫度的誤差約為 ± 10 mV。到計算K_甲和θ _JA芯片應(yīng)使用熱風(fēng)槍進(jìn)行加熱。可以通過測量二極管電壓來監(jiān)控芯片溫度。

結(jié)論

使用全芯片熱模型分析芯片溫度對于發(fā)現(xiàn)和避免潛在的熱風(fēng)險非常重要。使用 Maxim 驅(qū)動程序獲得的實驗結(jié)果很好地表明了該模型。可以使用 Spice 輕松模擬 RC 網(wǎng)絡(luò)，以便輕松指示 IC 的瞬態(tài)溫度。該模型適用于任何芯片，并允許定義操作模式以避免過熱。