通過功率MOSFET的頂麵溫度估算結點溫度
發布時間:2009-07-09 來源:中國電子商情
中心議題:
通常,MOSFET數shu據ju手shou冊ce中zhong提ti供gong的de結jie點dian溫wen度du數shu據ju隻zhi限xian於yu結jie到dao引yin腳jiao和he結jie到dao環huan境jing之zhi間jian的de熱re阻zu。雖sui然ran可ke根gen據ju定ding製zhi條tiao件jian使shi用yong一yi些xie工gong具ju來lai實shi現xian更geng精jing確que的de熱re仿fang真zhen,但dan有you時shi隻zhi需xu要yao時shi間jian來lai運yun行xing仿fang真zhen就jiu可ke以yi了le。
- 根據定製條件使用一些工具來實現更精確的熱仿真
- 提出了一種根據器件的頂麵溫度估算MOSFET結點溫度的快速而簡單的方法
通常,MOSFET數shu據ju手shou冊ce中zhong提ti供gong的de結jie點dian溫wen度du數shu據ju隻zhi限xian於yu結jie到dao引yin腳jiao和he結jie到dao環huan境jing之zhi間jian的de熱re阻zu。雖sui然ran可ke根gen據ju定ding製zhi條tiao件jian使shi用yong一yi些xie工gong具ju來lai實shi現xian更geng精jing確que的de熱re仿fang真zhen,但dan有you時shi隻zhi需xu要yao時shi間jian來lai運yun行xing仿fang真zhen就jiu可ke以yi了le。
本文中,我們提出了一種根據器件的頂麵溫度估算MOSFET結點溫度的快速而簡單的方法,這易於利用一台探針台(bench probe)予以確定。為了開發一個利用頂麵溫度計算出結點溫度的公式,我們利用Vishay Siliconix基於網絡的ThermaSim™ 在不同條件下運行了一組對流行MOSFET封裝類型的實驗。為了得到與數據手冊更好的一致性,應該在1英寸×1英寸的正方形FR-4板上安裝MOSFET。
Si4800BDY:SO-8單片芯壓焊線封裝
我們的第一個實驗是在SO-8單片芯壓焊線封裝上進行的。如圖1所示,在功耗為0.5 W時,Si4800BDY可保持+80.95℃的片芯溫度,頂麵溫度為+77℃。圖2接著顯示了頂麵的溫升和高達1 W的片芯功耗。


圖2 - Si4800BDY的頂麵和片芯溫升
表1顯示了0.2 W至1 W功耗範圍的仿真結果。Tdie rise = Tdie – 25,Ttop rise =Ttop – 25,K=[Tdie rise]/[Ttop rise]。係數K與功耗一致,是由K平均得到的,我們得到的Ttop rise與Tdie rise的比率為1.074。
表1 - Si4800BDY的ThermaSim結果

頂麵和芯片之間的溫差與功耗成正比。你可以通過[Tdie rise] = 1.074* [Ttop rise]確定另一個接近線(approximation line)。如圖3所示,這個線性接近線很好地描述了真實數據,對於這個具體的元件來說,片芯溫升大約高於頂麵溫度7.4 %。

圖3 - Si4800BDY的頂麵溫升與片芯溫升之間的關係[page]
Si4686DY:單SO-8無壓焊線(BWL)封裝
與壓焊線封裝相比,無壓焊線(BWL)封裝在散熱方麵有某種不同之處,因為片芯和源引腳之間的一個線夾(clip)可以給電路板帶來另一種熱通量。圖4所示為采用Si4686DY作為樣片的這種仿真的結果。

圖4 - Si4686DY的頂麵溫升與片芯溫升之間的關係
該圖顯示了與Si4800BDY仿真類似的結果。不過,這個元件的頂麵到片芯之間的溫差為6.6 %。
Si7336ADP:單PowerPAK SO-8 BWL封裝
Ttop rise與Tdie rise的比率也會受到封裝成型厚度的影響。為了證明這一點,我們下一個實驗是一個采用BWL封裝的PowerPAK SO-8封裝。圖5所示為Si7336ADP的頂麵溫升與片芯溫升之間的關係。

圖5 - Si7336ADP的頂麵溫升與片芯溫升之間的關係
由於采用了一種比標準SO-8更加纖巧的封裝,PowerPAK SO-8顯示出了更加接近片芯溫度的頂麵溫度。它顯示了與先前的仿真類似的結果;不過,這個元件的頂麵到片芯之間的溫差僅為1.4 %,標準SO-8封裝則為6.6 %或7.4 %。
為了進一步探索成型厚度與Ttop rise到Tdie rise比率之間的關係,我們也對其他封裝類型運行了這個熱仿真,如圖表2所示。

結果向我們表明,成型厚度與係數之間存在一種明確的相互關係。在所有封裝中,D2PAK的係數最大,因為它的成型最厚。第二大是DPAK,它的成型第二厚。PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212顯示出較小的數字,因為其成型更加纖巧。
結論:從上述實驗當中,我們確定了片芯溫升與頂麵溫升成正比:
[Tdie rise] = k * [Ttop rise]。
係數K取決於封裝,D2PAK大約為1.18,而DPAK則為1.08。對於PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212來說,係數大約為1.02。對於其他封裝,該係數從1.03到1.07不等,取決於片芯尺寸或封裝構造。ThermaSim仿真顯示,片芯溫度要比我們期待的頂麵溫度更加接近,證明這是一種迅速而精確地估算結點溫度的方便的方法。
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