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功率电感:设计电源管理电路时必需考虑的散热问题(二)

来源:    作者:     发布时间:2014-10-29 12:30:41     点击数:
 在电路中,每个热界面都有热阻抗。热阻抗因材料、几何形状、大小和方向的不同而各异。系统(或电路)的热阻抗对环境温度来说有一个总热阻抗,它可以分解为电路中每个元件的热阻抗的并联和串联的组合。例如,在半导体器件中,晶粒(也称作结)与周围空气(称作热阻抗)之间的总热阻抗,即由结到环境之间的热阻抗(ZJ-A),将是结构中每个单独材料的单个热阻抗的总和。

 

        考虑到 在PCB上安装的分立MOSFET。稳态热阻抗(或热阻RJ-A)是结到器件外壳的热阻(RJ-C)、器件外壳到散热器的热阻(RC-S)与散热器到空气的热阻(RS-A)之和。(RJ-A=RJ-C+RC-S+RS-A)。此外,还可以有并行的散热路径,例如从MOSFET结经过器件外壳到PCB,再从PCB到环境温度。

 

        通常情况下,半导体制造商会给出结点到器件外壳的热阻。另一方面,RC-S和RS-A主要取决于散热器和PCB的属性。许多因素会影响热阻RC-A或RC-S,包括PCB的层数、到辅助面的过孔数、与其他功率电感器件的接近程度以及气流速率。通常RJ-A会列在器件数据表中,但该数字是在特定测试板条件下得出的,因此仅适用于在相同条件下测量的器件之间的比较。

 

        热阻(RJA)是电子元器件的重要参数,因为它是器件散热的指标(基于环境条件和 PCB布板)。换言之,RJ-A可以帮助我们根据环境条件和功耗估算工作结温。

 

开关电源中的散热

 

        电源管理电路中散热考虑的典型示例,可以参考图2所示美国国模压电感器生产厂家半导体提供的LM3554电路。该器件是一个感应升压转换器,面向蜂窝电话应用中的高功率闪光LED。LM3554是一个很好的测试工具,因为它是一个小型器件(1.6mm ( 1.6mm ( 0.6mm),而且可以提供高达6W的输出功率((1.2A闪光电流在5V LED中)。即使提供85%左右的效率,相对较大的输出功率能力和微小的16-bump μSMD封装,该器件都需要承受较高的工作温度。

 


图 2. 美国国家半导体的 LM3554 闪光 LED 驱动器测试电路。

 

LM3554中的初始散热效应的主要表现是器件开关的导通电阻增加和器件阈值的改变。在温度过热的极端情况下,该器件可能触及热关机阈值而导致关闭。知道准确的RJ-A,可以帮助确定器件在功率运行期间的结温,并确保电路按照预期可靠地完成应用的要求。

 

在可能的情况下,该器件能够拥有3.6V的输入电压、3.6V的LED电压和1.2A的LED电流。在这种情况下,转换器将输出电压升至高于VIN 300mV。这为器件的两个并联电流源(负责调节LED电流)提供了300mV的净电压。

 

器件的总功耗将为同步PFET、NFET和两个电流源的功耗之和。PFET和NFET的功耗在电阻元件上,因此必须使用RMS电流来准确估算功耗。此电流就是RMS电感电流乘以开关周期(NFET和PFET的导通时间)百分比。如果知道转换器效率,可以用下面的等式算出占空比:

 

针对我们的情况,VOUT=VLED+300mV,且效率大约为90%。这可以算出PFET占空比(1-D)为83%,NFET占空比为17%。RMS电感电流等式为:

 

其中ΔIL为峰到峰值电感电流,在我们的示例中大约为140mA,ILDC是通过ILED/(1-D)算出的平均电感电流。

 

开关中的总一体成型电感器生产厂家功耗变为NFET(RDS_ON=125mΩ) 的45mW加 PFET(RDS_ON=152mΩ)的265mW。此外,电流源的功耗为300mV×1.2A=360mW,使得内部总功耗达到668mW。数据表中给出的RJ-A为60℃/W,且来自4层JEDEC测试板(详见JESD51-7)。使用该RJ-A时,预测结温在TA=50℃时为83.4℃。这对器件将不构成问题,因为它低于150℃的热关机阈值,且低于LM3554数据表中指定的最大工作结温125℃。

 

在另一种情况下,可以将 LM3554设置为在同一闪光脉冲期间恒定输出+5V。300mV电流源净电压现在变为5V–3.6V=1.4V,导致电流源功耗为1.68W。假设器件在以1.2A插件电感生产商电流提供5V电压时效率仍为90%,则占空比为35.2%,从而使直流电感电流1.85A具有288mA的ΔIL。NFET功耗现在为151mW,PFET功耗为338mW。总的内部功耗2.169W,在TA=50℃时会导致高达180℃的核心温度,这比热关机阈值高30℃,且比最大工作结温高55℃。 1

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