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不要让热阻值欺骗了你

2020-10-13 高杨 阅读:
做电路设计都需要用到以下的公式来计算元器件的结温:TJ=TA+θJA·PH。现在让我们来仔细研究一下这些参数值,看看它们是如何在数据手册中欺骗了你这么多年。

θJA是热阻的单位,用来表示空气到结温的阻值,单位是℃/W或K/W。做电路设计都需要用到以下的公式来计算元器件的结温:wv7ednc

TJ=TAJA·PHwv7ednc

式子中:TJ表示元器件的结温,单位是℃;wv7ednc

        TA表示环境的温度,单位是℃;wv7ednc

        PH表示元器件的功耗,单位是W;wv7ednc

现在让我们来仔细研究一下这些参数值,看看它们是如何在数据手册中欺骗了你这么多年。wv7ednc

首先来看TA。TA是指元器件所处的环境温度,这个值在半导体制造商处的定义如1所示。然而,在实际的产品中是不可能有这样的环境来满足TA测试条件的。在哪里测试TA其实并没有好的定义,TA不可能是控制器外的空气温度,因为元器件的温度明显取决于元器件周围的空气。那么,就需要确定测试点离元器件的距离和具体点的位置。但是,在实际的工程中没有任何一家公司对如何测量给出确切的定义,因而这个值首先就是不确定的。wv7ednc

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图1:半导体制造商关于环境温度的测试描述。wv7ednc

再看θJA。这是指器件从环境到结温所处的温升阻值。和TA的定义类似,这也是一个理想状态下的值。以TLE42754为例,TLE42754是一颗在汽车电源中广泛使用的LDO,主要将系统的12V电源转换成5V。2为以TO-252-5封装为例的TLE42754的热阻值。wv7ednc

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图2:TLE42754的热阻值。(图片来源:Infineon公司)wv7ednc

TLE42754的热阻值到底等于多少?以TO-252-5封装的数据手册为例,数据手册中给出了4个值(27℃/W、42℃/W、57℃/W、110℃/W)。这里假设选择27℃/W为最接近设计实例的情况来计算。按照12V输入、5V输出、最大输出电流450mA,那么TLE42754的最大功率为3.15W,温升约为85℃(27℃/W·3.15W)。但事实真的如此吗?太简单的认真,其实可能是错误的。热阻值在数据手册的定义为芯片结(junction)到空气(ambient)的热阻。当芯片的功耗和环境温度已知的时候,可以通过公式来计算芯片的结温。但数据手册给出的热阻,并非在实际工程中会出现的热阻,例如TLE42754关于27℃/W的条件备注(即2的第2条备注)。因而,这又是一个不确定的量。wv7ednc

最后来看TJ结温。结是晶体管中的术语,当P型半导体和N型半导体形成PN结的时候叫做结。从半导体诞生开始,这个名词一直沿用至今,从而产生了误导。现在的器件上有几十甚至上百万个结点在一个核心区域,按照科学严谨的称呼,叫做核心温度是不是更加贴切和准确呢?wv7ednc

从以上对于计算公式中的三个参数(TA、θJA、TJ)的分析,可以看到,每个参数给出值的同时都带特定的条件和要求,因而不能简单的套用公式来给出答案。数据手册是这样有趣的手册,看似她都给了你所有的参数,但当你真正使用的时候,她又是不确定的。wv7ednc

本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里wv7ednc

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高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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