電子設備中半導體元器件的熱設計

本文的關鍵要點

當預計會出現瞬時功耗增加的情況時，需要計算出瞬態峰值TJ。

在求瞬態溫升時，熱阻值使用瞬態熱阻值。

需要確認瞬態峰值TJ是否超過TJ MAX。

在此之前我們已經了解了在功耗恒定時估算TJ的計算示例，本文將介紹在功耗瞬時增加的條件下的計算方法和示例。

瞬時波動示例

IC還使用與之前相同的LDO線性穩壓器BD450M2EFJ-C。條件要考慮輸入電壓VIN如圖1所示產生瞬時波動的情況。穩態輸入電壓為13.5V，這里是一個在60s的周期內、從13.5V變為35V達3s時長的例子。

當輸入電壓發生瞬時波動時，最終，功耗也會發生瞬時波動，因此可以想象TJ也會隨之波動。在這種情況下，需要使用瞬態熱阻計算出瞬態溫升，將瞬態溫升與穩態TJ相加來計算TJ。

什么是瞬態熱阻?

嚴格來講，TJ通常從通電的時間點開始上升(發熱)，經過一定時間后趨于穩定。正常的熱阻θJA是在穩定狀態下的發熱量除以功耗而獲得的值。而瞬態熱阻則具有時間參數。在圖1的示例中，瞬態熱阻是VIN從13.5V變為35V并經過3s時所產生的熱量除以波動的功耗而獲得的值。

圖2為瞬態熱阻示例。從圖中可以看出，瞬態熱阻ZTH隨著瞬態時間(脈沖寬度)的增加而增加，大約300s后熱阻值趨于穩定。

瞬態熱阻通常會以曲線圖的方式提供，可以根據圖中的瞬態時間(脈沖寬度)來讀取瞬態熱阻值。從該圖中可以讀取到3s/周期(Duty)5%情況下的瞬態熱阻ZTH(黃綠線)為21℃/W。此外，40℃/W的穩態值是作為封裝的θJA值提供的。

使用瞬態熱阻值進行TJ估算時的示例

如前所述，TJ是將使用瞬態熱阻計算得到的瞬態溫升與穩態TJ相加求得的。計算步驟是：先計算穩態和瞬態功耗，接下來使用它們的熱阻計算各自的溫升(發熱量)，然后，將穩態和瞬態時的發熱量之和加上TA，得到瞬態TJ。下面我們來具體計算一下。

1計算穩態VIN=13.5V、VOUT=5.0V、IOUT=90mA、ICC=40μA(TYP)時的功耗。

2計算瞬態VIN=35V時的功耗P2。請記住，P2是包括穩態P1=0.77W在內的值。

3使用上述穩態熱阻θJA=40℃/W和3s/Duty 5%的瞬態熱阻ZTH(3s)=21℃/W，分別計算出它們的TJ的溫升。瞬態期間的溫升是通過從P2中減去常溫下的功耗P1得到的功耗值計算出來的。

兩種溫升相加，求得整體的溫升。

4最后，通過加上瞬態環境溫度TA來求得TJA為65℃。

5這樣，我們就獲得了13.5V的VIN在60s的周期內瞬時上升到35V達3s時長的條件下的最大TJ。圖3是VIN瞬態變化與溫升關系示意圖。由于圖2所示的瞬態熱阻特性具有時間參數，因此溫升波形是VIN的積分波形。

此前的TJ計算是為了掌握功耗瞬時增加時的TJ峰值。還有一種不同的方法，是通過平均功耗來估算TJ。下面是在上述相同條件下的計算示例。熱阻值使用穩態熱阻θJA=40℃/W。

在前面的計算中，瞬態期間的溫升為71.3℃，因此我們可以看出平均功耗的計算方法在這種情況下是不適用的。

在熱計算中最重要的確認要點是TJ是否超過了絕對最大額定值TJ MAX。絕對最大額定值是即使一瞬間也不能超過的值，因此有必要知道瞬態期間的峰值溫度。

當瞬態時間足夠長時(暫且不論這是否稱為“瞬態”)，例如，在圖2的示例中，當脈沖寬度超過300s時，瞬態熱阻=穩態熱阻，因此只要通過穩態熱阻求最大功耗時的TJ，并確認該值小于TJ MAX即可。

原文標題：R課堂 | TJ的估算：使用瞬態熱阻的計算示例

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審核編輯：湯梓紅