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通過功率MOSFET的頂面溫度估算結(jié)點溫度

發(fā)布時間:2009-07-09 來源:中國電子商情

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

通常,MOSFET數(shù)據(jù)手冊中提供的結(jié)點溫度數(shù)據(jù)只限于結(jié)到引腳和結(jié)到環(huán)境之間的熱阻。雖然可根據(jù)定制條件使用一些工具來實現(xiàn)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(jù)器件的頂面溫度估算MOSFET結(jié)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(fā)一個利用頂面溫度計算出結(jié)點溫度的公式,我們利用Vishay Siliconix基于網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)手冊更好的一致性,應(yīng)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(jié)果。Tdie rise = Tdie – 25,Ttop rise =Ttop – 25,K=[Tdie rise]/[Ttop rise]。系數(shù)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(jié)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(shù)據(jù),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(guān)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(jié)果。
 
 
 
 
 
圖4 - Si4686DY的頂面溫升與片芯溫升之間的關(guān)系
 
 
該圖顯示了與Si4800BDY仿真類似的結(jié)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(guān)系。
 
 
 
 
圖5 - Si7336ADP的頂面溫升與片芯溫升之間的關(guān)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(jié)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(guān)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(jié)果向我們表明,成型厚度與系數(shù)之間存在一種明確的相互關(guān)系。在所有封裝中,D2PAK的系數(shù)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(shù)字,因為其成型更加纖巧。
 
結(jié)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(shù)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(shù)大約為1.02。對于其他封裝,該系數(shù)從1.03到1.07不等,取決于片芯尺寸或封裝構(gòu)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(jié)點溫度的方便的方法。
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