利用熱分析預(yù)測IC的瞬態(tài)效應(yīng)并避免過熱

　　我們可利用以上得出的方程式和線性LED驅(qū)動(dòng)器(例如MAX16828/MAX16815)驗(yàn)證RC仿真模型的實(shí)際應(yīng)用。這些芯片工作在最高40V電壓，幾乎不需要外部元件，MAX16828能夠?yàn)橐淮甃ED供電，最大電流可達(dá)200mA (圖6)。MAX16815與MAX16828引腳兼容，功能相似，但最大輸出電流可達(dá)100mA，而非200mA。兩款LED驅(qū)動(dòng)器都適合于汽車應(yīng)用，例如，用于側(cè)燈、汽車尾燈、背光和指示燈。如果內(nèi)部MOSFET需要承受較大電流，而且具有較大壓差時(shí)，MAX16828將需要耗散相當(dāng)可觀的熱量(LED串的正向電壓較低時(shí)，MOSFET會(huì)發(fā)生這種情況)。RSENSE兩端的電壓調(diào)節(jié)在200mV ±3.5%，該電阻用于設(shè)置LED電流。芯片的DIM輸入為LED提供較寬范圍的PWM調(diào)光，因?yàn)樗軌虺惺芨邏海梢灾苯訉⑵溥B接到IN引腳。為了直接顯示管芯溫度，我們對連接在DIM和IN引腳之間內(nèi)部ESD二極管的正向偏壓進(jìn)行測量。該二極管偏置在大約100μA，其正向電壓變化率為2mV/°K (這點(diǎn)可通過溫控爐對器件加熱進(jìn)行驗(yàn)證)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7所示。5V電源和56kΩ電阻提供100μA偏置電流，為ESD二極管提供正向偏置。驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為可向LED提供200mA的輸出電流。

圖6. MAX16815/MAX16828 HBLED驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用電路。

圖7. 圖中所示測試裝置采用片上ESD二極管測量管芯的瞬時(shí)溫度。*EP表示裸焊盤。

　　這種狀態(tài)下，元件承載大量電流，ESD二極管測量處于測量通路。因此，由于焊接線和內(nèi)部金屬電阻的影響，會(huì)產(chǎn)生一定誤差。根據(jù)內(nèi)部布局和焊接線長度計(jì)算，估計(jì)最差情況下的寄生電阻為50mΩ。200mA下，該寄生電阻會(huì)在二極管讀數(shù)上產(chǎn)生大約±10mV (最大)的誤差，對應(yīng)的溫度測量精度誤差大于±5°C。此外，管芯ESD二極管放置在靠近片上功率MOSFET和熱保護(hù)電路處。這種配置可使二極管更準(zhǔn)確地表示該區(qū)域的溫度。

　　系統(tǒng)定義1

　　接下來的部分介紹如何利用測試裝置，采集代表瞬時(shí)熱特性的二極管電壓，用于上述式7和式21的系統(tǒng)定義方程式。為了計(jì)算kA和θJA (代入式11)，采用熱風(fēng)槍加熱芯片。因?yàn)槲覀儾⒉幌Ｍ酒瑑?nèi)部產(chǎn)生熱量，所以將芯片斷電。利用熱風(fēng)槍加熱元件會(huì)使封裝、管芯的溫度上升。可利用示波器測量二極管的電壓，以監(jiān)測管芯的溫度變化(圖 8)。

　　當(dāng)芯片加熱時(shí)，二極管電壓按照指數(shù)規(guī)律迅速下降，與公式預(yù)測結(jié)果一致。接近曲線中間位置時(shí)，關(guān)閉熱槍，使封裝和管芯開始冷卻。二極管電壓又按照指數(shù)規(guī)律上升。我們并不確切知道有多少熱量從熱風(fēng)槍傳遞到芯片。因此，為了消除該未知數(shù)，我們首先將式28調(diào)整為僅擬合曲線(圖8)的上升部分(冷卻)。這種曲線擬合使我們能夠估算kA的最佳值。冷卻期間沒有熱功率傳遞至封裝，封裝僅僅進(jìn)行冷卻，P = 0。因此，式28可簡化為：

(式34)

　　我們已知VDA (室溫下的初始測量值為643mV)和VDi (t = 0時(shí)的參考讀數(shù))值。為了確定KA，我們必須調(diào)整方程式，使其包括上升曲線的一對讀數(shù)，將得到kA = -0.0175。圖9所示為采用上述kA值時(shí)的讀數(shù)(二極管電壓單位為mV，與以秒為單位的時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系)和式34的波形。

圖8. 該二極管電壓瞬態(tài)值包括表示外部熱風(fēng)槍加熱(下降曲線)和移開熱風(fēng)槍后冷卻(上升曲線)的指數(shù)曲線。

圖9. 式34，擬合至一對二極管電壓測量值，非常接近芯片經(jīng)過熱風(fēng)槍加熱后再冷卻的二極管測量值。

正如我們在圖9中看到的那樣，式34與kA = -0.0175時(shí)的測量數(shù)據(jù)非常接近。為了驗(yàn)證我們公式的正確性，我們嘗試?yán)冕槍A測定的值擬合公式28的下降曲線，方程式精確擬合(圖10)。因此，我們看到針對系統(tǒng)定義1所討論系統(tǒng)的式34與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。

　　系統(tǒng)定義2

　　驗(yàn)證系統(tǒng)2的式30、式31和式32更加困難。必須在管芯產(chǎn)生熱量，利用二極管正向電壓測量管芯溫度，并將溫度值與提出的RC網(wǎng)絡(luò)的C1電壓仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。這項(xiàng)工作可利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)。在已知整個(gè)芯片初始溫度的情況下，記錄不同時(shí)間的瞬態(tài)熱特性非常重要。按照這種方式，我們還可以求解RC網(wǎng)絡(luò)的初始電容電壓。利用相同的測試裝置(參見圖7)，接通電流通道并在示波器上采集二極管電壓(圖11)。