电源应用集成电路的一般热分析

热分析是材料科学的一个分支，它研究作为温度函数的材料特性。所有集成电路在承受电压时都会产生热量。因此，为了将器件的结温保持在最大允许值以下，应提供对通过封装的热流的估计。

介绍

在封装选择过程中，热管理是必不可少的，以确保产品的高可靠性。良好的热评估需要结合分析计算、经验分析和热建模。问题是确定特定集成电路在高温下是否可靠。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，一些参数起作用，例如热阻 (θ _JA ) 和结温 (θ _JC）。热阻是热导的倒数，测量物体或材料抵抗热流的温度差。另一方面，结温是双极晶体管、MOSFET 和整流器的半导体热分析中的一个重要因素。目前，该术语用于所有电源设备，包括 IGBT 设备。在 AC 模式下或 LED 由使用 PWM 调制的 MOSFET 驱动的情况下，有必要定义瞬态热数据。我们应该回答的问题是：在遇到热问题之前，芯片可以在某个功率水平下运行多久？在接下来的段落中，我们将尝试做的是确定与功耗相关的热方程，以便可以将芯片的结温预测为时间的函数。这种方法将用于任何类型的芯片。基于这些方程，将定义一个 RC 等效电路模型（使用 SPICE 很容易模拟），代表 IC 的瞬态热特性。

热力学

温度和时间之间的关系源自两个主要定律：牛顿冷却定律和能量守恒定律。第一个可以表示如下：

其中 T _B是体温，T _A是环境温度，K _A是比例常数。相反，第二个由以下关系给出：

其中 P 是施加到物体上的功率，m 是质量，c 是比容量。牛顿定律指出，身体热量损失的速度与身体与环境之间的温度差成正比。另一方面，能量守恒定律表明能量不能被创造或消失，而只能从一种形式改变为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体。结合前面提到的方程，我们得到了本文下一部分所需的公式：

如上所述，热阻是要分析的第一个因素：它可以很容易地在 IC 数据表中找到。计算应在热平衡条件下进行，即：

我们现在可以使用以下关系计算功率：

在哪里：

该参数是物体与外界环境之间的热阻。

热模型

此时，应定义物理数学模型，以便应用上述方程。图 1 显示了安装在 PCB 上的芯片的示意图：涉及不同的材料，包括环氧树脂、芯片和封装。我们将要分析的模型基于热流方向：热量从外部源流向模具（当主要热源为外部时）和热从模具流向环境（当主要热源为外部时）死）。

图 1：PCB 上的芯片布局

在第一种情况下，我们将求解第二段中计算的关于 T _{B 的}微分方程 (dT _B /dt) 。无需过多赘述，我们将得到的方程如下：

当热源为外部时，前面的公式可用于估算芯片温度（在封装和管芯层面）。一个例子是靠近大电流芯片的 MOSFET，它会散发大量热量。 我们现在可以考虑另一种情况，其中物体在管芯上产生热量并通过环氧树脂和封装在环境中散发热量. 为了解决这个系统，有必要定义所有三个物体的微分方程：

其中 T _Bi （i = 1、2 和 3）是主体（芯片、环氧树脂和封装）的瞬时温度。术语 P 表示从一个物体传输到另一个物体的功率（例如，P ₁₂是从物体 1 传输到物体 2 的功率），而 P _G是源功率。考虑单体的幂P的表达式并应用拉普拉斯变换，我们得到每个体的以下三个微分方程：

而以下公式给出了模具的温度：

其中T_我变量是积分常数，米_我 系数是k的函数_我和θ _IJ是从本体的热阻i到身体Ĵ。要求解上述方程，我们需要知道所有参数。为了避免繁琐的计算，我们可以尝试将模型实现为一个简单的RC网络，这样我们就可以使用电路分析软件（Spice）通过确定相关参数来求解微分方程。

主要思想是使用无源 RC 电路对上一段中获得的微分方程进行建模，以模拟管芯上产生的功率。如图 2 所示，电容器上的电压代表管芯 (C ₁ )、环氧树脂 (C ₂ ) 和封装 (C ₃ )的初始温度。V _A表示环境温度，而 I _S（进入电容器 C ₁的电流）是管芯上产生的功率。替换V _C1和T _B1，V _C2和T _B2，V _C3和T _B3和我_小号以P _ģ，我们得到以下微分方程：

图 2：当芯片（管芯）内部产生热量时，用于模拟热瞬态的等效 RC 电路

电容器上的电压直接对应于芯片各部分的温度。

模具温度测量

可以使用不同的技术进行芯片温度测量。其中之一利用了 ESD 二极管的正向压降。为确保测量精度水平在允许范围内，所选的 ESD 二极管不应具有大的寄生电阻。此外，建议将二极管放置在非常靠近芯片最热点的位置。如果您选择使用FET的 R _ds (on) 作为温度指示器进行操作，您必须确保 FET 在测量点处于压降模式。R _ds (on)，即导通电阻，表示晶体管处于导通状态时的内阻（V _GS= 0）。ESD二极管连接在芯片引脚和电源电压之间，直接极化。由于我们通过测量获得二极管上的电压，因此我们还必须考虑二极管上的电压与温度之间的关系。

RC网络测量

MAX16828/MAX16815 LED 驱动器将用于测试刚刚描述的模型。这些芯片可以在高达 40V 的电压下工作，只需要几个外部组件。MAX16828 提供约 200 mA 的最大 LED 电流。这两种驱动器都用于汽车应用，例如侧灯、外部灯、背光和指示灯。为了获得芯片温度的直接指示，测量连接在 DIM 和 IN 引脚之间的内部 ESD 二极管的直流电压。吸收电流约100μA，产生约2mV/K的电压变化。图 3 显示了一个可行的电路配置。

图 3：芯片温度测量电路原理图

图 3 的配置确保读取和估计温度的误差约为 ± 10 mV。到计算K_甲和θ _JA芯片应使用热风枪进行加热。可以通过测量二极管电压来监控芯片温度。

结论

使用全芯片热模型分析芯片温度对于发现和避免潜在的热风险非常重要。使用 Maxim 驱动程序获得的实验结果很好地表明了该模型。可以使用 Spice 轻松模拟 RC 网络，以便轻松指示 IC 的瞬态温度。该模型适用于任何芯片，并允许定义操作模式以避免过热。

审核编辑：汤梓红