PCB Layout對熱阻的影響

為了滿足更小的方案尺寸以降低系統(tǒng)成本，小型化和高功率密度成為了近年來DCDC和LDO的發(fā)展趨勢，這也對方案的散熱性能提出了更高的要求。本文借助業(yè)界比較成功的中壓DCDC TPS543820，闡述板上POL的熱阻測量方法及SOA評估方法。

PCB Layout對熱阻的影響

芯片的數(shù)據(jù)手冊都會標(biāo)注芯片的熱阻參數(shù)，如下Figure 1 TPS543820 Thermal Information所示。但這個Thermal Metric的值并不能直接應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目的熱評估中，因?yàn)樾酒纳岷脡臅艿絇CB layout的直接影響，包括散熱面積，銅厚，過孔數(shù)量甚至是布局都會對實(shí)際熱阻造成較大影響。

Figure 1: TPS543820 Thermal Information

因此，我們需要對項(xiàng)目中重點(diǎn)電源器件進(jìn)行實(shí)際熱阻測量，尤其是在高溫應(yīng)用場景下，以避免設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的芯片可靠性降低甚至無法正常工作。

板上熱阻RθJA測量

測試設(shè)備

電源

示波器

電子負(fù)載

溫箱

熱電偶

萬用表

測試方法

固定輸出電壓（VOUT），利用電源提供輸入電壓電流（VIN，IIN)，利用電子負(fù)載提供負(fù)載電流（IOUT），利用溫箱來創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境溫（TA）。逐步緩慢的增加負(fù)載電流，同時利用示波器監(jiān)測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓在超過10分鐘的時間里恰好只出現(xiàn)了1次shutdown，那么我們認(rèn)為此時芯片的結(jié)溫 TJ = TSDN（thermal shutdown point）。

如Figure 2所示，芯片的TSDN可以從手冊中找到，但這個點(diǎn)的范圍比較廣，下面介紹兩種單顆芯片TSDN的測量方法，以得到更精確的結(jié)果。

Figure 2: TPS543820 Thermal Shutdown Spec

1）使用熱電偶或紅外測溫儀測量恰好發(fā)生一次thermal shutdown時的殼溫（Tcase），利用結(jié)溫到殼溫之間的特征熱阻較小的特性，近似認(rèn)為此時TCASE=TSDN。

2）利用PGOOD NMOS體二極管的閾值電壓VTH和溫度的負(fù)線性關(guān)系，保持芯片不上電，用萬用表測量不同環(huán)境溫度下的PGOOD和AGND之間的電壓差（VTH），兩點(diǎn)確定一條直線，繪制出此時的VTH與溫度的特性曲線。再次給芯片上電，測量恰好發(fā)生一次thermal shutdown時的VTH值，即可反推出此時的PGOOD NMOS溫度（TPG），由于PGOOD NMOS受到了功率MOSFET的加熱，我們認(rèn)為此時TPG=TSDN。

熱阻計(jì)算公式

其中，

因此，我們可以求得此時板上的熱阻。下面我們將介紹如何利用板上熱阻進(jìn)行評估SOA。

SOA評估

我們利用TPS543820EVM的RθJA結(jié)果進(jìn)行分析，如Figure 1所示，RθJA=29.1℃/W，假設(shè)應(yīng)用條件為VIN=12V, VOUT=5V, Fsw=1MHz, TA_MAX=90℃，從TPS543820數(shù)據(jù)手冊6.3節(jié)中可以得到芯片推薦工作最大結(jié)溫TJ=150℃，因此，可以利用下面的公式求得當(dāng)前應(yīng)用條件下芯片正常工作的最大功耗PLOSS_MAX:

計(jì)算得到，PLOSS_MAX=2.06W,從TPS543820數(shù)據(jù)手冊中Figure 6-6中可以直接查出此時對應(yīng)的輸出電流為7.5A。因此，我們可以得到在當(dāng)前應(yīng)用條件下，芯片可以正常工作的最大輸出電流為7.5A，所以該路電源應(yīng)設(shè)計(jì)滿足IOUT_MAX≤7.5A。

審核編輯：湯梓紅