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通過功率MOSFET的頂面溫度估算結點溫度

發布時間:2009-07-09 來源:中國電子商情

中心議題:
  • 根據定制條件使用一些工具來實現更精確的熱仿真
解決方案:
  • 提出了一種根據器件的頂面溫度估算MOSFET結點溫度的快速而簡單的方法

通常,MOSFET數據手冊中提供的結點溫度數據只限于結到引腳和結到環境之間的熱阻。雖然可根據定制條件使用一些工具來實現更精確的熱仿真,但有時只需要時間來運行仿真就可以了。
 
本文中,我們提出了一種根據器件的頂面溫度估算MOSFET結點溫度的快速而簡單的方法,這易于利用一臺探針臺(bench probe)予以確定。為了開發一個利用頂面溫度計算出結點溫度的公式,我們利用Vishay Siliconix基于網絡的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,頂面溫度為+77℃。圖2接著顯示了頂面的溫升和高達1 W的片芯功耗。
 
 
 
 
 
 
圖2 - Si4800BDY的頂面和片芯溫升
 
表1顯示了0.2 W至1 W功耗范圍的仿真結果。Tdie rise = Tdie – 25,Ttop rise =Ttop – 25,K=[Tdie rise]/[Ttop rise]。系數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
 
 
 
 
 
頂面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,對于這個具體的元件來說,片芯溫升大約高于頂面溫度7.4 %。
 
 
 
圖3 - Si4800BDY的頂面溫升與片芯溫升之間的關系[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)封裝在散熱方面有某種不同之處,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的頂面溫升與片芯溫升之間的關系
 
 
該圖顯示了與Si4800BDY仿真類似的結果。不過,這個元件的頂面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的頂面溫升與片芯溫升之間的關系。
 
 
 
 
圖5 - Si7336ADP的頂面溫升與片芯溫升之間的關系
 
由于采用了一種比標準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面溫度。它顯示了與先前的仿真類似的結果;不過,這個元件的頂面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比率之間的關系,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,成型厚度與系數之間存在一種明確的相互關系。在所有封裝中,D2PAK的系數最大,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面溫升成正比:
 
[Tdie rise] = k * [Ttop rise]。
 
系數K取決于封裝,D2PAK大約為1.18,而DPAK則為1.08。對于PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212來說,系數大約為1.02。對于其他封裝,該系數從1.03到1.07不等,取決于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面溫度更加接近,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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