利用熱分析預(yù)測IC的瞬態(tài)效應(yīng)并避免過熱

　本文提出了一種預(yù)測IC熱性能的方法。這些信息對于汽車及其它高溫環(huán)境下使用的PMIC (電源管理IC)尤為有用。通過分析熱性能，我們設(shè)計(jì)了一種數(shù)學(xué)模型用于仿真芯片內(nèi)部的瞬態(tài)溫度。我們引入了關(guān)于熱性能的物理定律，并用于評估IC的發(fā)熱模型?；谶@些分析，我們提出了一種等效的無源RC網(wǎng)絡(luò)，用于仿真IC瞬態(tài)熱性能的模型。為了闡述這一分析的應(yīng)用，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)用于LED驅(qū)動(MAX16828)的RC網(wǎng)絡(luò)。最后總結(jié)了這種方法的使用和有效性，并提出了加速構(gòu)建RC模型的途徑。

　　設(shè)計(jì)人員通常需要了解IC的熱性能，特別是汽車應(yīng)用中的PMIC (電源管理IC)。當(dāng)實(shí)際IC工作在高溫環(huán)境(例如+125°C)時(shí)，是否會觸發(fā)熱關(guān)斷電路或超出產(chǎn)品的安全工作溫度范圍？如果沒有明確的分析方法，我們就無法確切地回答這一問題。因此，在定義一款新IC時(shí)，我們需要一種根據(jù)復(fù)雜的內(nèi)部功能預(yù)測熱關(guān)斷或管芯溫度過高的方法。

　　直流工作模式下，往往能夠利用數(shù)據(jù)資料提供的參數(shù)確定結(jié)溫，例如θJA (熱阻)和θJC (結(jié)溫?zé)崽匦?1。然而，為了預(yù)測直流模式以外的結(jié)溫峰值達(dá)到多高(例如，由PWM信號驅(qū)動的功率MOSFET，用于控制LED或開關(guān)穩(wěn)壓器)，需要了解瞬態(tài)熱特性數(shù)據(jù)。盡管該數(shù)據(jù)非常有用，但通常情況下數(shù)據(jù)資料并未提供這些數(shù)據(jù)。您可能還需要了解芯片在給定功率耗散水平下能夠工作多長時(shí)間而不發(fā)生故障。這個(gè)問題也很難回答。

　　本文解決了利用功耗和環(huán)境溫度預(yù)測芯片結(jié)溫的問題，芯片結(jié)溫是時(shí)間函數(shù)。本文首先引入分析方法所依據(jù)的物理定律。然后將IC系統(tǒng)定義為一個(gè)復(fù)雜的分層熱體模型進(jìn)行討論。進(jìn)而對熱體模型進(jìn)行理論分析，并得出瞬態(tài)熱性能的表達(dá)式。本文根據(jù)這些公式提出了一種等效的RC無源網(wǎng)絡(luò)，用于表示IC的熱特性。最后，為了證明這一分析方法的有效性和準(zhǔn)確性，文章給出了具有PWM調(diào)光功能的高電壓線性HB LED (高亮度LED)驅(qū)動電路MAX16828的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　熱力學(xué)定律

　　對于任何物體，均可通過以下兩個(gè)基本定律得到溫度與時(shí)間的關(guān)系式。

　　牛頓冷卻定律：

(式1)

　　其中：

TB為物體溫度，TA為環(huán)境溫度。kA為比例常數(shù)(>0)。
t為時(shí)間。

　　根據(jù)能量守恒定律：
mcΔT = 能量 = PΔt

(式2)

　　其中：

P為熱源產(chǎn)生或傳遞給熱源的恒定功率。
m為發(fā)熱體質(zhì)量。
c為特定物體的熱容量。

　　結(jié)合這兩個(gè)定律，我們得到：

(式3)

　　IC的數(shù)據(jù)資料通常列出了封裝的熱特性數(shù)據(jù)，例如θJA。我們利用該數(shù)據(jù)可以分析封裝的穩(wěn)態(tài)熱平衡，從而檢查是否滿足式3：

　　其中：

θBA為熱阻――物體至環(huán)境。
TB為封裝內(nèi)溫度。
TA為外部環(huán)境溫度。

　　故： (式6)

　　將芯片定義為一個(gè)熱系統(tǒng)

　　清晰地定義系統(tǒng)非常重要，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/熱分析">熱分析結(jié)果依賴于這一定義。從安裝在PCB的芯片橫截面(圖1)，我們可以看到管芯到環(huán)境通道至少有三種不同材料：管芯本身、環(huán)氧樹脂鑄模和封裝。根據(jù)主要熱源的位置不同，熱模型基于兩種熱流動模式之一：從外部熱源至管芯(當(dāng)外部熱源是主要熱源時(shí))和從管芯至外部環(huán)境(當(dāng)管芯為主要熱源時(shí))。我們就這兩種模式分別進(jìn)行討論。

　　從外部熱源至芯片的熱流動

　　考慮圖2所示系統(tǒng)，該圖給出了一個(gè)均勻物體從電源獲得能量(熱量)并向外部環(huán)境釋放能量的示意圖。

　　熱量通過封裝和鑄模復(fù)合物到達(dá)內(nèi)部管芯。所以，該系統(tǒng)也模擬了熱源處于封裝外部時(shí)芯片的瞬態(tài)熱特性。由于管芯具有很多金屬，封裝熱阻通常比管芯本身高得多。因此，管芯溫度隨著封裝溫度的變化而改變，幾乎沒有滯后，使芯片看起來像個(gè)整體。我們可以利用式3定義這一整體系統(tǒng)。求解TB，得到：

(式7)

　　其中，k0為積分常數(shù)，由初始條件求解得到。一般而言，該式對于熱源處于芯片外部情況下定義芯片的瞬態(tài)熱特性非常有用。

　　可以通過一個(gè)實(shí)例解釋這一模型。確定芯片的瞬態(tài)熱特性，其初始溫度為Ti，式7中帶入t = 0，TB = Ti：

　式11和式12在熱源處于封裝外部情況下，對于預(yù)測芯片溫度(無論是封裝還是管芯)非常有用。需要耗散大量熱量的大電流MOSFET附近就是一個(gè)熱源特例。

圖1. 安裝在PCB上的芯片橫截面，顯示了管芯和環(huán)境之間的材料層次。