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案例分析:用結(jié)點(diǎn)溫度評(píng)估器件的可靠性

發(fā)布時(shí)間:2015-11-09 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】文章中的工程師在設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品時(shí)用了一顆9A的MOS管,量產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)壞品率偏高,經(jīng)重新計(jì)算分析后,換成了一顆5A的MOS管,問(wèn)題解決。為什么用電流裕量更小的器件,卻能提高可靠性呢?
 
工程師在設(shè)計(jì)的過(guò)程中非常注意元器件性能上的裕量,卻很容易忽視熱耗散設(shè)計(jì),案例分析我們放到最后說(shuō),為了幫助理解,我們先引入一個(gè)概念:
 
 
其中Tc為芯片的外殼溫度,PD為芯片在該環(huán)境中的耗散功率,Tj表示芯片的結(jié)點(diǎn)溫度,目前大多數(shù)芯片的結(jié)點(diǎn)溫度為150℃,Rjc表示芯片內(nèi)部至外殼的熱阻,Rcs表示外殼至散熱片的熱阻,Rsa表示散熱片到空氣的熱阻,一般功率器件用Rjc進(jìn)行計(jì)算即可。
 
圖1功率器件熱阻分布示意圖
 
舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),大家常用的S8050在25℃(Tc)的最大耗散功率是0.625W,額定電流為0.5A,最高結(jié)點(diǎn)溫度為150℃,此代入公式有:
 
 
從上面公式可以推算出Rja為200℃/W(Rja表示結(jié)點(diǎn)到空氣的熱阻)。假設(shè)芯片殼溫(Tc)為55℃,熱耗散功率有0.5W時(shí),此刻芯片結(jié)點(diǎn)溫度為:Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃,已經(jīng)超過(guò)了最高結(jié)溫150℃了。故需要降額使用,然而降額曲線在數(shù)據(jù)手冊(cè)中并未標(biāo)注,所以小編只能自行計(jì)算。
 
在25℃(Tc)時(shí)有公式:
 
 
恒成立。
 
把線性降額因子設(shè)為F,則在任意溫度時(shí)有:
 
 
代入已知參數(shù)得到F>5mW/℃,一般為了滿足裕量要求,降額因子往往取得更大才能滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。
 
由于小晶體管和芯片是不帶散熱器的,這時(shí)就要考慮殼體到空氣之間的熱阻。一般數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)給出Rja(結(jié)到環(huán)境之間的熱阻)。那么三極管S8050,其最大功率0.625W是在其殼溫25℃時(shí)取得的。倘若環(huán)境溫度剛好為25℃,芯片自身又要消耗0.625W的功率,那么為了滿足結(jié)點(diǎn)不超過(guò)150℃,唯一的辦法就是讓其得到足夠好的散熱。
 
好了,我們把問(wèn)題轉(zhuǎn)回到最初的場(chǎng)效應(yīng)管為什么需要從9A變成5A性能更可靠的問(wèn)題上來(lái),場(chǎng)效應(yīng)管的損耗通常來(lái)自導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗兩種,但在高頻小電流條件下以開(kāi)關(guān)損耗為主,由于9A的場(chǎng)效應(yīng)管在工藝上決定了其柵極電容較大,需要較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,在驅(qū)動(dòng)能力不足的情況下導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)損耗急劇上升,特別在高溫情況下由于熱耗散不足,導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)溫度超標(biāo)引發(fā)失效。如果在滿足設(shè)計(jì)裕量的條件下?lián)Q成額定電流稍小的場(chǎng)管以后,由于兩種場(chǎng)管在導(dǎo)通內(nèi)阻上并不會(huì)差距太大,且導(dǎo)通損耗在高頻條件下相比開(kāi)關(guān)損耗來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì),這樣一來(lái)5A的場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)起來(lái)就會(huì)變得容易很多,開(kāi)關(guān)損耗降下去了,使用5A場(chǎng)管在同樣的溫度環(huán)境下結(jié)點(diǎn)溫度降低在可控范圍,自然就不會(huì)再出現(xiàn)熱耗散引起的失效了,當(dāng)然遇到這種情況增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力也是一個(gè)很好的辦法。
 
圖2開(kāi)關(guān)器件損耗分析示意圖
 
通常大多數(shù)芯片的結(jié)點(diǎn)溫度是150℃,只要把結(jié)點(diǎn)溫度控制在這個(gè)范圍內(nèi)并保持一定裕量,從熱耗散的設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)都是沒(méi)有問(wèn)題的,如果下次你找遍了芯片的器件性能指標(biāo)均發(fā)現(xiàn)有一定裕量卻無(wú)法找到失效原因時(shí),不妨從熱耗散的角度來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,興許能幫上大忙。
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