【工程师笔记】Driver IC 热阻模型概述与计算-电子发烧友网

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芯片散热是越来越多客户关心的问题，那么如何构建相应的物理模型进行分析和计算？

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《电机驱动IC热阻模型概述与计算》研讨会

一、热阻的定义及热阻网络模型

热量传递有三种形式，热传导，热对流和热辐射，芯片在Package内的热量传递主要是以热传导为主。

图1

以图1的QFN模型为例，IC中的die作为热源，上面有芯片最高温度结温TJ, 产生的热量传导至直接和die接触的case top 和PCB board，之后再从case top, PCB board 以热交换，热辐射形式传播至空气；

因此QFN对应的热阻模型可以简化成一个2R网络，四个热阻值，分别是θJC, θCA, θJB, θBA. 如图2；

图2

这里有两个细节：

1.热阻θ的定义是两点之间的温度差除以对应流经这两点的功率，是一个有实际意义的物理量，θJC,θJB, 通常是由芯片封装决定的，无法改变；θCA, θBA通常是由芯片外围空间大小，空气对流情况，有无散热器，以及PCB layout 决定；

2. 在正常应用中，即芯片在PCB上自然对流情况下，芯片95%以上的热量都是通过PCB板走，即向下传导的功率占总功率的95%以上；

二、热阻的应用

如图2，根据公式

因此

其中case的温度往往可以通过热电偶或者红外方便测出来，那么知道了结到壳的热阻θJC是否就能直接算出芯片Junction的温度呢？

答案是no，这里有个问题，根据热阻的定义，应用θJC算结温，乘的功率必须是流经case top 方向的功率，但是我们实际应用中无法定量得测出有多少功率从case top 走，又有多少的功率从PCB board走，我们只是定性得知道有95%的功率都是往PCB走；因此我们引入一个概念热特征参数ψ，热特征参数ψ的定义是两点之间的温度差除以总功率；

根据公式

得出

因此我们可以很方便地通过ψJT估算芯片的结温。

总结一下：

1.热阻θ是两点之间的温度差除以对应流经这两点的功率;

热阻θJA, θJC是用来评估不同芯片的thermal perf ormance，而不是计算结温。不同芯片热阻的是通过统一的JESD51标准测得，方便一些系统级的工程师，在做系统级设计时，进行芯片之间的横向比较；

2. 热特征参数ψ是两点之间的温度差除以总功率；

热特征参数ψJT的计算更接近于实际应用条件，因此计算芯片结温往往是通过数ψJT；

三、热阻的测试与计算

图3

根据热阻计算公式：

计算热阻需要三个值，TJ,TA,PJA; 如图3芯片数据手册中提供的热阻值往往是通过JESD51标准下进行测量，下面简单介绍一下TJ,TA,PJA在JESD51热测试标准下的测试方法。

(1). 芯片结温TJ

图4

图5

JESD51-1规定芯片结温的测试方法—用电压测温度，如图4，图5；

①测K系数：芯片中的MOSFET有寄生的体二极管body diode, 其压降和温度是强相关的。我们先选一个bode diode，通一个很小的bias 电流，大概200uA~10mA，把芯片放置恒温箱内，不断改变温度，记录不同温度对应的电压值。几组数据下来，能够绘制出一条电压vs.温度的曲线，曲线几乎是线性，其斜率即为K系数，也叫K因子。如下图6.

图6

②灌功率算结温；给芯片灌大电流，让其发热，对应body diode电压值也会随之变化，带入①曲线公式中，即可算出对应的结温；

图4，图5是两种测试方法，他们区别在于：图4测温度和灌功率，即bias小电流和功率大电流用的是同一个diode；

图5，测温度和灌功率分别用不同的diode。我们实际应用中，芯片在发热时，die上会有很大温度梯度，如果用不同位置的diode, 不管测温度的diode离灌功率的diode有多近，都会存在一定的温度分布差，造成测试结果偏小。

以MPQ6612A为例，（MPQ6612是一颗QFN3*4的全桥驱动）

下图7是持续给MPQ6612A OUT1 LS 灌3.3W的功率，1000s后芯片的热成像图。P0是OUT1 LS diode的位置，即芯片最高结温的位置，如果另外选取其他位置如P5-OUT2 LS diode测温度作为结温，就会存在高达~30°C的测试误差。

图7

图4是目前的主流方法，也是精度最高的，即用同一个管子完成测温度和灌功率。

以MPQ6612A为例，图8：
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图8

选取任意一个diode,先通bias小电流即Isense,测出K系数。之后通大电流灌功率即Idrive, 灌完功率后，迅速把电流切回Isense, 测出diode电压，根据K系数和diode电压可以测出一条降温曲线，在软件上对降温曲线进行反向拟合，校正切换瞬间噪声，可以得出灌完功率那一刻的温度值，即芯片最高结温。

选取同一个管子的测试结果精度虽高，但是对实验要求也很高。必须要让电流切换瞬间非常快，所以热阻测试有专门的测试仪器T3ster，它的量测时间短至1us,即灌完功率后1us的时间，传感器就能读到小电流下的电压值。

除了这两种方法测结温，还有比较常规的OTP法，很多芯片都有thermal sensor的单元，我们可以通过触发OTP的threshold来作为结温测试热阻，但是这个方法和用不同管子电压值测温度一样，在die里面thermal sensor 和灌功率单位的位置也是有温度分布差的，因此会有很大的误差。

(2). 芯片环境温度TA

JESD51同时也规定了芯片测试环境等一系列要求，如图9，空气是自然对流还是强制对流，测试板的layout，2s2p还是1s0p等等。大致了解下即可。

图9

(3). 芯片功率方向的唯一性

上面讲到，两点之间的热阻是对应两点之间的功率，因此我们在测试不同热阻时，需要保证芯片功率方向唯一性，以下图10 θJC为例。

图10

芯片正常应用中是有上下两个散热方向即junction to case(top), junction to board。如果要测试θJC，需要保证芯片全部功耗往case top方向走，可以通过对其他散热方向进行绝热处理。实验中可以让芯片四周和底部用绝热泡沫夹住，顶部用冷水板保持恒温。仿真可以直接在case top 设置一个温度点，譬如接地。

解决了JESD51标准下TJ，TA，功率方向唯一性的测试方法后，我们来看一下MPQ6612A热仿真测试结果。

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图11

上图11是MPQ6612A基于JESD51标准的热阻仿真结果。其中值得一提的是，θ_JB测试中，能看到芯片pin走线是非常宽的，远大于正常应用，这是因为热阻测试的标准是JESD51，它往往模拟的是PCB layout 很差的情况。因此我们在正常应用中，标准EVB上测试的热阻值或者是热特征参数要比JESD51标准下好很多。

四、瞬态热阻-热阻抗

现在很多芯片在启停的时候，会有比较大的电流冲击，瞬态的功率可能是稳态功率的几十倍，因此瞬态结温的高低是越来越多客户关心的问题。前面提到的热阻模型都是基于稳态下，那么研究瞬态，该构建怎么样的散热模型呢？

瞬态热阻，即热阻抗Zth。如图12，热阻抗是热阻值随功率pulse脉宽变化的函数，当时间足够长时，系统达到稳态，这时候的热阻抗就等于热阻。

图12

那么如何测试瞬态热阻抗?即瞬态功率下对应的结温呢？

我们来看一下基于MPQ6612A的瞬态热阻抗测试方法和结果。

思路和前面测稳态时一样，选取一个管子测温度和灌功率，但是我们可以通过改变power pulse 的脉宽，测出一个不同power pulse 脉宽下对应的结温，进而得出对应的热阻，绘制曲线即为热阻抗。

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图13

图13是MPQ6612在标准EVB上用T3ster的热阻抗测试结果。横坐标是power pulse的脉宽，纵坐标是对应的瞬态结到环境温度的热阻Zth。

从图中，不难发现这里有两个有趣的现象：

1. 脉宽达到1000s以后，热阻抗几乎不变，即系统达到稳态，这时候热阻抗等于稳态热阻, 即~30°C/W ，比前面热仿真R_θJA热阻值44°C/W 要小很多，这是因为30°C/W 是基于标准EVB的测试结果，而44°C/W 是基于JESD51标准的测试结果，JESD51 测试板往往模拟的是PCB布局很差的情况。

2. 热阻抗曲线，有明显两个拐点，分别是1s,100s。这是因为1s以前芯片热量还没有传递至package表面，热量还在内部，所以对应1s以前的热阻抗就非常低。而100s大概是芯片热量均匀传递至PCB的时间点。0-1s是Package level, 1s-100s是PCB level, 100s-1000s 是system level即稳态。

五、PCB Layout Tips

前面提到正常应用中，芯片95%的热都是通过PCB散热，因此PCB合理的layout能够更好地提高芯片的thermal performance。下面是几个tips。