理解背后的理论瞬态热阻抗

其中T_J结温(°C), T_一个环境温度(°C)和P_D是设备的散热(W)。

Ψ_JT是表征参数测量T之间的温度变化_J和温度对包的顶部(°C / W)。因为热量从模具流向包的顶部是未知的,Ψ_JT不是真正的junction-to-top热阻,但它是由电路设计师承担设备的总功率。虽然这个假设是无效的,Ψ_JT仍然是一个有用的参数特征类似于IC以来包的应用程序环境。例如,薄包Ψ小_JT值。

请注意,Ψ_JT略有不同,由于董事会结构和气流条件。Ψ_JT可以估计方程(2):

$ $ \ psi_ {JT} = \压裂{T_J - T_C} {P_D} $ $

Ψ_{简森-巴顿}可以让系统设计师计算设备的结温根据董事会的测量温度。Ψ的_{简森-巴顿}大学入学考试应该接近θ_{简森-巴顿},PCB消散的大部分热量的装置。T_J可以用方程(3)计算:

$ $ T_J = T_ {PCB}识别+ (\ psi_ {JB} \ * P_D) $ $

其中T_{印刷电路板}董事会的温度接近包的接触垫(°C)。

图1显示了一个图,解释了junction-to-ambient热阻。

图1:Junction-to-Ambient热阻

较低的θ_晶澳主要是通过减少阻力从PCB的热面。在应用程序传导传热的主要方法(即对流冷却限制),PCB的权力对θ平面面积最重要的影响_英航。

热性能

在应用,如电动机驱动、大功率脉冲宽度是有限的几十或几百毫秒,这意味着设计师必须考虑热容的影响。如果热容是足够大,它可以限制接点温度保持在设备的评级,即使在高损耗峰的存在。适当的热管理提高了设备的性能和可靠性。

有三个机制热量可以转移:传导、对流和辐射。

传导

传导是很重要的,因为它的表面积最终消散热量。热量通过传导、扩散所需的表面积。通过传导由傅里叶传热定律,即热流通过材料的速度成正比的材料的横截面积和温差材料;相反,热流材料的厚度成反比。一些材料(如铜)传热比其他人更有效(例如FR4)。表1显示了不同材料的导热系数(K)。这些常见的材料明显不同导热系数的因素。

表1:材料导热系数

材料	电导率(W /该调查)
空气	0.025
FR4 PCB介质	0.35
模具复合	1
焊料	62年
硅(死)	148年
铝	247年
铜	398年

对流

的方法是对流将热量从材料表面在空气中。功率耗散的温升是一个函数,它是成反比的表面积和传热系数(h)。h是一个函数的空气速度和董事会之间的温差和环境空气。

辐射

热辐射包括通过电磁波热量的传递。热流率成正比的表面积和温度辐射单元(如董事会、组件)的四次方。

通过传导传热是最适用于半导体大功率应用。的标准描述集成电路包的热性能,θ_晶澳脉冲的应用,是帮不上什么忙,会导致冗余和禁止性的热设计。

相反,设备的完整的热阻抗可以建模结合两个元素:热阻和热容。

热容(C_TH)是一种衡量一个组件积累热量的能力,类似于电容器积累电荷。对于一个给定的结构元素,C_TH取决于比热(c),卷(V)和密度(d)。c_TH(J /°C)可以估计方程(4):

$ $ C_ {TH} = c \ * d \ * V $ $

电类比为给定应用程序的热行为(由一个活跃的设备,包、PCB和外部环境)是一个RC细胞链,每一方都有一个特征时间常数(τ)。τ与方程(5)可以计算出:

$ $ \τ=θ\ \ *美元加元

图2显示了每个细胞导致的瞬态热阻抗包装设备使用一个简化的电子模型。

图2:简化的等效热力循环

脉冲功率操作

当受到脉冲负载功率器件,它可以支持更高的峰值功率耗散。欧宝体育总公司权力包有一个明确的热容量,这意味着关键T_J不是立即联系到,即使过度电力设备正在消散。功耗限制可以延长间歇操作。扩展的时间长短取决于操作的时间周期(也称为脉冲持续时间)和操作期间发生频率(也称为工作系数)。

如果权力是应用于设备,模具立即开始热身(参见图3)。

图3:模具加热/冷却:单脉冲

如果继续力量消散,平衡之间热量的产生和热量的消除,稳定T_J。一些热能存储设备的热容量。由热电阻稳定条件,这与晶体管及其热环境相关联。

当权力停止消散,设备冷却,加热和冷却法是相同的(参见图3)。然而,如果功耗停止晶体管的温度稳定之前,然后T的高峰值_J低于值连续功耗达到同样的水平(见图3)。

如果相同的第一个第二个脉冲,然后的峰值温度达到设备的第二个脉冲的峰值温度大于第一个脉冲。额外的脉冲建立直到温度达到一个新的稳定值(参见图4)。在这些稳定的条件下,设备的温度上下波动的意思。

图4:模具加热/冷却:重复的脉冲

如果一系列脉冲后的结温过高(例如T_J> 125°C),那么该设备会对电气性能和寿命降低。这可以用较低的高功率脉冲发生责任周期,即使平均功率低于设备的直流评级。

图5显示了一个短,单脉冲。

图5:短单脉冲

随着脉冲宽度的增加,T_J趋于一个固定值的末尾一个脉冲(参见图6)。

图6:长单脉冲

热阻抗(Z_{TH (JA)})反映了脉冲产生的温升有时限的权力。这个热阻抗提供了一个简单的方法来估计设备的瞬态功耗条件下结温。

瞬态热阻抗往往成为连续的热阻相等功耗,估计方程(6):

$ $ \ lim_ {t_p \ \ infty} Z_ {TH (JA)} = \ theta_ {JA} $ $

图7:瞬态阻抗Z_{TH (JA)}与时间

重复率变得越来越小,脉冲之间的结会完全冷却,以便每个脉冲可以单独治疗。

对权力包、瞬态热影响消失在大约0.1到100秒。这个时间取决于芯片尺寸,包装类型和大小。此外,它大大影响PCB层叠和布局。

PCB充当散热器,提供路径(s) IC方案有效地传输热量向董事会和邻近的环境。因此,金属痕迹的面积最大化的权力和地面销(s)包位于有效传热是很重要的。

包的热力性能不是大大影响T_一个和P_D。功率脉冲与过多的时间在这段时间有影响,类似于一个连续负载。

结论

结温影响许多操作参数,以及设备的运行寿命。设计一个大功率电路的最具挑战性的方面是决定一个特定的设备可以支持相关的应用程序需求。欧宝体育总公司

有效的瞬态热阻抗受多种因素的影响,包括铜面积和布局,从相邻设备加热,在PCB相邻设备的热质量,和气流装置。准确地估计温度上升,最好直接在应用程序中描述热阻抗电路。

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