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的值并不能直接應用于實際項目的熱評估中，因為芯片的散熱好壞會受到PCB 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際熱阻造成較大影響。

Figure 1: TPS543820 Thermal Information

因此，我們需要對項目中重點電源器件進行實際熱阻測量，尤其是在高溫應用場景下，以避免設(shè)計問題導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)，利用電子負載提供負載電流（IOUT），利用溫箱來創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境溫（TA）。逐步緩慢的增加負載電流，同時利用示波器監(jiān)測輸出電壓，當輸出電壓在超過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，我們認為此時TPG=TSDN。

熱阻計算公式

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行評估SOA。

SOA評估

我們利用TPS543820EVM的RθJA結(jié)果進行分析，如Figure 1所示，RθJA=29.1℃/W，假設(shè)應用條件為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前應用條件下芯片正常工作的最大功耗PLOSS_MAX:

計算得到，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的輸出電流為7.5A。因此，我們可以得到在當前應用條件下，芯片可以正常工作的最大輸出電流為7.5A，所以該路電源應設(shè)計滿足IOUT_MAX≤7.5A。

審核編輯：湯梓紅