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通过功率MOSFET的顶面温度估算结点温度

发布时间:2009-07-09 来源:中国电子商情

中心议题:
  • 根据定制条件使用一些工具来实现更精确的热仿真
解决方案:
  • 提出了一种根据器件的顶面温度估算MOSFET结点温度的快速而简单的方法

通常,MOSFET数据手册中提供的结点温度数据只限于结到引脚和结到环境之间的热阻。虽然可根据定制条件使用一些工具来实现更精确的热仿真,但有时只需要时间来运行仿真就可以了。
 
本文中,我们提出了一种根据器件的顶面温度估算MOSFET结点温度的快速而简单的方法,这易于利用一台探针台(bench probe)予以确定。为了开发一个利用顶面温度计算出结点温度的公式,我们利用Vishay Siliconix基于网络的ThermaSim™ 在不同条件下运行了一组对流行MOSFET封装类型的实验。为了得到与数据手册更好的一致性,应该在1英寸×1英寸的正方形FR-4板上安装MOSFET。
 
Si4800BDY:SO-8单片芯压焊线封装
我们的第一个实验是在SO-8单片芯压焊线封装上进行的。如图1所示,在功耗为0.5 W时,Si4800BDY可保持+80.95℃的片芯温度,顶面温度为+77℃。图2接着显示了顶面的温升和高达1 W的片芯功耗。
 
 
 
 
 
 
图2 - Si4800BDY的顶面和片芯温升
 
表1显示了0.2 W至1 W功耗范围的仿真结果。Tdie rise = Tdie – 25,Ttop rise =Ttop – 25,K=[Tdie rise]/[Ttop rise]。系数K与功耗一致,是由K平均得到的,我们得到的Ttop rise与Tdie rise的比率为1.074。
 
表1 - Si4800BDY的ThermaSim结果
 
 
 
 
 
顶面和芯片之间的温差与功耗成正比。你可以通过[Tdie rise] = 1.074* [Ttop rise]确定另一个接近线(approximation line)。如图3所示,这个线性接近线很好地描述了真实数据,对于这个具体的元件来说,片芯温升大约高于顶面温度7.4 %。
 
 
 
图3 - Si4800BDY的顶面温升与片芯温升之间的关系[page]
 
Si4686DY:单SO-8无压焊线(BWL)封装
与压焊线封装相比,无压焊线(BWL)封装在散热方面有某种不同之处,因为片芯和源引脚之间的一个线夹(clip)可以给电路板带来另一种热通量。图4所示为采用Si4686DY作为样片的这种仿真的结果。
 
 
 
 
 
图4 - Si4686DY的顶面温升与片芯温升之间的关系
 
 
该图显示了与Si4800BDY仿真类似的结果。不过,这个元件的顶面到片芯之间的温差为6.6 %。
 
Si7336ADP:单PowerPAK SO-8 BWL封装
Ttop rise与Tdie rise的比率也会受到封装成型厚度的影响。为了证明这一点,我们下一个实验是一个采用BWL封装的PowerPAK SO-8封装。图5所示为Si7336ADP的顶面温升与片芯温升之间的关系。
 
 
 
 
图5 - Si7336ADP的顶面温升与片芯温升之间的关系
 
由于采用了一种比标准SO-8更加纤巧的封装,PowerPAK SO-8显示出了更加接近片芯温度的顶面温度。它显示了与先前的仿真类似的结果;不过,这个元件的顶面到片芯之间的温差仅为1.4 %,标准SO-8封装则为6.6 %或7.4 %。
 
为了进一步探索成型厚度与Ttop rise到Tdie rise比率之间的关系,我们也对其他封装类型运行了这个热仿真,如图表2所示。
 
 
 
结果向我们表明,成型厚度与系数之间存在一种明确的相互关系。在所有封装中,D2PAK的系数最大,因为它的成型最厚。第二大是DPAK,它的成型第二厚。PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212显示出较小的数字,因为其成型更加纤巧。
 
结论:从上述实验当中,我们确定了片芯温升与顶面温升成正比:
 
[Tdie rise] = k * [Ttop rise]。
 
系数K取决于封装,D2PAK大约为1.18,而DPAK则为1.08。对于PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212来说,系数大约为1.02。对于其他封装,该系数从1.03到1.07不等,取决于片芯尺寸或封装构造。ThermaSim仿真显示,片芯温度要比我们期待的顶面温度更加接近,证明这是一种迅速而精确地估算结点温度的方便的方法。
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