RS-485/RS-422、CAN和LVDS/M-LVDS收發(fā)器的結(jié)溫計(jì)算

半導(dǎo)體的可靠性由結(jié)溫決定，結(jié)溫又取決于幾個(gè)因素，包括器件功耗、封裝熱阻、印刷電路板（PCB）布局、散熱器接口和環(huán)境工作溫度。本應(yīng)用筆記介紹了這些考慮因素，并為確定ADI公司的隔離式和非隔離式RS-485、控制器局域網(wǎng)（CAN）、低壓差分信號(hào)（LVDS）和多點(diǎn)低壓差分信號(hào)（M-LVDS）收發(fā)器的最大結(jié)溫和功耗提供了指導(dǎo)。

結(jié)溫

結(jié)溫是指集成電路（IC）中半導(dǎo)體的溫度。通過(guò)保持較低的結(jié)溫，器件的長(zhǎng)期可靠性得以提高。使用公式1估算結(jié)溫。

其中：
TJ是結(jié)溫 （°C）。
T一個(gè)是環(huán)境溫度 （°C）。
θJA是環(huán)境熱阻 （°C/W） 的結(jié)點(diǎn)。
PDISS是器件總功耗 （W）。

ADI公司的所有數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有最大環(huán)境工作條件。結(jié)溫、熱阻和功耗是可說(shuō)明的，也可以計(jì)算。

公式1是確定結(jié)溫的一種方法;其他方法包括復(fù)雜的三維有限元分析，以及使用熱電偶直接測(cè)量IC溫度。

熱阻

與環(huán)境熱阻的結(jié)點(diǎn)，θ賈（°C/W），定義熱從熱IC結(jié)傳遞到環(huán)境空氣時(shí)的電阻。

ADI公司數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的熱阻值假設(shè)4層JEDEC標(biāo)準(zhǔn)板沒(méi)有冷卻氣流，板上沒(méi)有散熱器。IC封裝上的氣流降低了封裝熱阻，并允許在額定最大結(jié)溫下增加功耗。散熱器通過(guò)提供從器件到 PCB 和機(jī)箱的傳導(dǎo)路徑，允許 IC 散熱并降低熱阻。

最大功耗

在評(píng)估收發(fā)器器件的熱和可靠性特性時(shí)，總線接口（收發(fā)器加負(fù)載）的功耗是關(guān)鍵?？偣β适怯捎谳敵鲐?fù)載而在收發(fā)器中耗散的功率與收發(fā)器靜態(tài)功率的總和。

特定器件的最大安全功耗受到芯片結(jié)溫相關(guān)上升的限制。通常，最大額定結(jié)溫為150°C。 在給定的環(huán)境溫度工作條件和熱阻下，可以計(jì)算出相應(yīng)的最大功耗。在某些情況下，最大功耗可能遠(yuǎn)大于典型收發(fā)器應(yīng)用的功耗。

在150°C的結(jié)溫下，器件封裝的塑料特性會(huì)發(fā)生變化。即使暫時(shí)超過(guò)此溫度限制，也可能改變封裝對(duì)芯片施加的應(yīng)力，從而永久改變收發(fā)器的參數(shù)性能。長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)150°C的結(jié)溫可能會(huì)導(dǎo)致功能損失。

絕對(duì)最大額定值

ADI公司數(shù)據(jù)手冊(cè)提供隔離式和非隔離式RS-485和RS-422、CAN和LVDS/M-LVDS收發(fā)器的絕對(duì)最大額定值。等于或高于絕對(duì)最大額定值下列出的應(yīng)力可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)最大運(yùn)行條件的運(yùn)行可能會(huì)影響產(chǎn)品的可靠性。

器件產(chǎn)品組合

罐頭收發(fā)器

ADI公司的CAN收發(fā)器在數(shù)據(jù)層鏈路、硬件協(xié)議器和CAN總線的物理布線之間提供差分物理層接口。AN-1123應(yīng)用筆記提供了CAN實(shí)施指南。ADI公司提供隔離式CAN ADM3052、ADM3053和ADM3054收發(fā)器，以及非隔離式CAN ADM3051收發(fā)器。隔離式CAN器件包括ADI集成i耦合器和ISO電源隔離技術(shù)（參見(jiàn)i耦合器和ISO電源技術(shù)部分）。

這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)在絕對(duì)最大額定值表中指定最大結(jié)溫為130°C或150°C。還提供熱阻抗（結(jié)到環(huán)境）和環(huán)境溫度工作條件。使用公式1確定給定環(huán)境溫度工作條件下的最大允許功耗，在本例中為85°C或125°C。

表1給出了最大允許功耗?；蛘撸珻AN器件的功耗可以在給定的負(fù)載條件下計(jì)算，公式1用于確定相應(yīng)的結(jié)溫。如前所述，表1中的最大功耗可能大于典型收發(fā)器應(yīng)用的功耗。

ADM3054數(shù)據(jù)手冊(cè)提供給定負(fù)載條件下的邏輯和總線側(cè)電流。最大邏輯側(cè)電流為3.0 mA，最大總線側(cè)電流為75 mA，輸出負(fù)載電阻為60 Ω。 使用公式2確定5 V電壓下的功耗。

其中：
V 是收發(fā)器電壓 （V）。
I是收發(fā)器電流（邏輯側(cè)、靜態(tài)、總線側(cè)）（mA）。
RL是CAN應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的典型負(fù)載。

所有總線側(cè)電流不流過(guò)RL負(fù)載電阻;因此，只有當(dāng)前部分通常流經(jīng) RL被減去。

對(duì)于352.5 mW的功耗和53°C/W的熱阻，相應(yīng)的結(jié)溫上升約為18°C。 使用公式1表示環(huán)境工作溫度為125°C，結(jié)溫為143°C。

LVDS驅(qū)動(dòng)器和接收器

ADI公司的LVDS驅(qū)動(dòng)器（發(fā)送器）和接收器為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用提供高速信號(hào)單端至差分解決方案。例如，ADN4663 LVDS驅(qū)動(dòng)器的工作速率高達(dá)600 Mbps，而ADN4664 LVDS接收器的工作速率高達(dá)400 Mbps。ADI公司的LVDS產(chǎn)品組合具有增強(qiáng)的±15 kV ESD保護(hù)。AN-1177應(yīng)用筆記提供了LVDS和M-LVDS電路實(shí)現(xiàn)指南。

LVDS數(shù)據(jù)手冊(cè)在絕對(duì)最大額定值表中提供了最高結(jié)溫。對(duì)于每個(gè)LVDS器件，最大結(jié)溫為150°C。 絕對(duì)最大額定值表規(guī)定了熱阻以及最高環(huán)境工作溫度。使用公式1計(jì)算功耗。表2詳細(xì)介紹了每個(gè)LVDS器件在最大環(huán)境溫度工作條件下的最大允許功耗。

作為表2中提供的最大功耗的替代方案，計(jì)算LVDS器件在典型條件下的功耗，并使用公式1確定相應(yīng)的結(jié)溫。如前所述，最大功耗可能遠(yuǎn)大于典型收發(fā)器應(yīng)用的功耗。例如，ADN4664數(shù)據(jù)手冊(cè)為開(kāi)關(guān)電流為47 mA的兩個(gè)通道提供典型電源電流。使用公式3計(jì)算3.3 V電壓下的功耗。

其中：
V 是接收器電壓 （V）。
I 是接收器電流 （mA）。

對(duì)于155 mW的功耗和149.5°C/W的熱阻，相應(yīng)的結(jié)溫上升為23°C。 使用公式1表示環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為108°C。

M-LVDS收發(fā)器

ADI公司的M-LVDS收發(fā)器通過(guò)允許兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信，擴(kuò)展了已建立的LVDS信號(hào)方法。ADN4690E、ADN4692E、ADN4694E 和 ADN4695E 均為收發(fā)器，用于高速發(fā)送和接收 M-LVDS（數(shù)據(jù)速率高達(dá) 100 Mbps）。ADN4691E、ADN4693E、ADN4696E和ADN4697E能夠以高達(dá)200 Mbps的數(shù)據(jù)速率工作。M-LVDS收發(fā)器提供全雙工和半雙工模式，采用8引腳和14引腳SOIC封裝。AN-1177應(yīng)用筆記提供了LVDS和M-LVDS電路實(shí)現(xiàn)指南。

ADN4690E/ADN4692E/ADN4694E/ADN4695E數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了計(jì)算功耗和結(jié)溫的信息，具體取決于封裝類型。表3提供了8引腳和14引腳SOIC封裝的熱阻值。

ADN4690E/ADN4692E/ADN4694E/ADN4695E數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了94 mW收發(fā)器功耗。

對(duì)于94 mW的功耗和121°C/W的熱阻，結(jié)溫的相應(yīng)上升為11°C。 使用公式1，環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為96°C。 對(duì)于94 mW的功耗和86°C/W的熱阻，結(jié)溫的相應(yīng)上升為8°C。 使用公式1，環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為93°C。

ADN4691E/ADN4693E/ADN4696E/ADN4697E數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了計(jì)算功耗和結(jié)溫的信息，具體取決于封裝類型。表4提供了8引腳和14引腳SOIC封裝的熱阻值。

ADN4691E/ADN4693E/ADN4696E/ADN4697E數(shù)據(jù)手冊(cè)提供最大電源電流，驅(qū)動(dòng)器和接收器均使能電流為25 mA。典型負(fù)載（RL） 由收發(fā)器驅(qū)動(dòng)為 50 Ω。 使用公式4計(jì)算總功耗。

所有總線側(cè)電流不流過(guò)RL負(fù)載電阻;因此，只有當(dāng)前部分通常流經(jīng) RL被減去。

對(duì)于77 mW的功耗和121°C/W的熱阻，結(jié)溫的相應(yīng)上升為9°C。 使用公式1，環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為94°C。

對(duì)于77 mW的功耗和86°C/W的熱阻，結(jié)溫的相應(yīng)上升為7°C。 使用公式1，環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為92°C。

RS-485/RS-422 收發(fā)器

ADI公司提供各種標(biāo)準(zhǔn)RS-485/RS-422收發(fā)器和i耦合器隔離式RS-485/RS-422收發(fā)器，適合多種應(yīng)用。RS-485收發(fā)器允許長(zhǎng)距離（最大4000英尺）的雙向通信，差分傳輸線提高了抗噪性。AN-960應(yīng)用筆記提供了RS-485/RS-422電路實(shí)施指南。表5提供了ADI公司隔離式RS-485收發(fā)器的數(shù)據(jù)，其中包括集成i耦合器和iso電源隔離技術(shù)（參見(jiàn)i耦合器和iso電源技術(shù)部分）。

公式5和公式6分別是ADM2587E和ADM2582E功耗的示例計(jì)算，使用從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中收集的典型54 Ω負(fù)載條件下的數(shù)據(jù)。

所有總線側(cè)電流不流過(guò)RL負(fù)載電阻;因此，僅減去通常流經(jīng)RL的電流部分。

對(duì)于ADM2587E，功耗為0.567 W，熱阻為50°C/W，結(jié)溫相應(yīng)上升28°C。 使用公式1，環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為113°C。 對(duì)ADM2582E進(jìn)行類似的計(jì)算。

ADM2486數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定采用4 V電源時(shí)邏輯側(cè)電流為5 mA。相應(yīng)的58 mA總線側(cè)電流和5 V總線側(cè)電壓（數(shù)據(jù)速率為20 Mbps時(shí)）提供271 mW的功耗值（參見(jiàn)公式7）。

所有總線側(cè)電流不流過(guò)RL負(fù)載電阻;因此，僅減去通常流經(jīng)RL的電流部分。

ADM2486的功耗為271 mW，熱阻為73°C/W，結(jié)溫相應(yīng)上升19.8°C。 使用公式1表示環(huán)境工作溫度為85°C，結(jié)溫為105.4°C。

ADM2682E/ADM2687E數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了典型總線負(fù)載條件下的電源電流。功耗計(jì)算與ADM2587E和ADM2582E類似。

ADM2482E、ADM2487E、ADM2485、ADM2490E、ADM2491E、ADM2481、ADM2483和ADM2484E的收發(fā)器功耗計(jì)算與ADM2486相似。計(jì)算功耗后，對(duì)于給定的熱阻和環(huán)境工作溫度，可以使用公式1確定結(jié)溫（見(jiàn)表5）。

散熱器和散熱設(shè)計(jì)

有關(guān)散熱器、PCB布局和其他熱設(shè)計(jì)良好實(shí)踐的指南，請(qǐng)參閱ADI公司的MT-093教程（請(qǐng)參閱“參考”部分）。本教程為需要考慮功耗的應(yīng)用提供PCB布局指南。

i耦合器和 iso電源技術(shù)

在典型的客戶應(yīng)用中，電路組件之間的隔離可提高系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)完整性。隔離可以保護(hù)系統(tǒng)側(cè)的敏感電路元件免受高壓設(shè)備通常所在的總線側(cè)存在的危險(xiǎn)電壓電平的影響。隔離還可以減輕甚至消除影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度的共模噪聲和接地環(huán)路。

有關(guān)隔離RS-485節(jié)點(diǎn)電源的選項(xiàng)和解決方案，請(qǐng)參閱ADI公司技術(shù)文章MS-2155（請(qǐng)參閱“參考”部分）。技術(shù)文章MS-2155說(shuō)明了ADI公司ADM2587E RS-485收發(fā)器中使用的ISO電源隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)。ADM2587E還采用ADI耦合器數(shù)據(jù)隔離技術(shù)。

采用i耦合器技術(shù)的隔離式RS-485和CAN收發(fā)器使設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)隔離，而不受光耦合器的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性限制。

審核編輯：郭婷