別讓熱阻值欺騙了你

作者 : 高楊,EDN China特約作者

三個參數TA、θJA、TJ提供數值的同時都帶特定的條件和要求,因而不能簡單的套用公式來得出答案。資料手冊是這樣有趣的文件,看似都給了你所有的參數,但當你真正使用的時候,卻又是不確定的…

θJA是熱阻的單位,用來表示空氣到結溫的阻值,單位是℃/W或K/W。進行電路設計都需要用到以下的公式來計算元件的結溫:

TJ = TA + θJA · PH

公式中:

TJ表示元件的結溫,單位是℃;

TA表示環境的溫度,單位是℃;

PH表示元件的功耗,單位是W;

現在讓我們來仔細研究一下這些參數值,看看它們是如何在資料手冊中欺騙你這麼多年。

首先來看TA。TA是指元件所處的環境溫度,這個值在半導體製造商處的定義如圖1所示。然而,在實際的產品中是不可能有這樣的環境來滿足TA測試條件的。在哪裡測試TA其實並沒有好的定義,TA不可能是控制器外的空氣溫度,因為元件的溫度明顯取決於元件周圍的空氣。那麼,就需要確定測試點離元件的距離和具體點的位置。但是,在實際的工程中沒有任何一家公司對如何測量提供確切的定義,因而這個值首先就是不確定的。

圖1 半導體製造商關於環境溫度的測試描述。

再看θJA。這是指元件從環境到結溫所處的溫升阻值,和TA的定義類似,這也是一個理想狀態下的值。以TLE42754為例,TLE42754是一顆在汽車電源中廣泛使用的LDO,主要將系統的12V電源轉換成5V,圖2為以TO-252-5封裝為例的TLE42754的熱阻值。

圖2 TLE42754的熱阻值。(圖片來源:Infineon)

TLE42754的熱阻值到底等於多少?以TO-252-5封裝的資料手冊為例,資料手冊中提供了4個值(27℃/W、42℃/W、57℃/W、110℃/W)。這裡假設選擇27℃/W為最接近設計實例的情況來計算。依照12V輸入、5V輸出、最大輸出電流450mA,那麼TLE42754的最大功率為3.15W,溫升約為85℃ (27℃/W·3.15W)。但事實真的如此嗎?太簡單的認真,其實可能是錯誤的。熱阻值在資料手冊的定義為晶片結(junction)到空氣(ambient)的熱阻。當晶片的功耗和環境溫度已知的時候,可以透過公式來計算晶片的結溫。但資料手冊提供的熱阻,並非在實際工程中會出現的熱阻,例如TLE42754關於27℃/W的條件備註(即圖2的第2條備註)。因而,這又是一個不確定的量。

最後來看TJ結溫。結是電晶體中的術語,當P型半導體和N型半導體形成PN結的時候稱做結。從半導體誕生開始,這個名詞一直沿用至今,從而產生了誤導。現在的元件上有幾十甚至上百萬個結點在一個核心區域,依照科學嚴謹的稱呼,叫做核心溫度是不是更加貼切和準確呢?

從以上對於計算公式中的三個參數(TA、θJA、TJ)的分析,可以看到,每個參數提供數值的同時都帶特定的條件和要求,因而不能簡單的套用公式來得出答案。資料手冊是這樣有趣的文件,看似都給了你所有的參數,但當你真正使用的時候,卻又是不確定的。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年10月號雜誌

 

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