【工程師筆記】Driver IC 熱阻模型概述與計(jì)算

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芯片散熱是越來(lái)越多客戶關(guān)心的問(wèn)題，那么如何構(gòu)建相應(yīng)的物理模型進(jìn)行分析和計(jì)算？

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《電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC熱阻模型概述與計(jì)算》研討會(huì)

一、熱阻的定義及熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

熱量傳遞有三種形式，熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射，芯片在Package內(nèi)的熱量傳遞主要是以熱傳導(dǎo)為主。

圖1

以圖1的QFN模型為例，IC中的die作為熱源，上面有芯片最高溫度結(jié)溫TJ, 產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至直接和die接觸的case top 和PCB board，之后再?gòu)腸ase top, PCB board 以熱交換，熱輻射形式傳播至空氣；

因此QFN對(duì)應(yīng)的熱阻模型可以簡(jiǎn)化成一個(gè)2R網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)熱阻值，分別是θJC, θCA, θJB, θBA. 如圖2；

圖2

這里有兩個(gè)細(xì)節(jié)：

1.熱阻θ的定義是兩點(diǎn)之間的溫度差除以對(duì)應(yīng)流經(jīng)這兩點(diǎn)的功率，是一個(gè)有實(shí)際意義的物理量，θJC,θJB, 通常是由芯片封裝決定的，無(wú)法改變；θCA, θBA通常是由芯片外圍空間大小，空氣對(duì)流情況，有無(wú)散熱器，以及PCB layout 決定；

2. 在正常應(yīng)用中，即芯片在PCB上自然對(duì)流情況下，芯片95%以上的熱量都是通過(guò)PCB板走，即向下傳導(dǎo)的功率占總功率的95%以上；

二、熱阻的應(yīng)用

如圖2，根據(jù)公式

因此

其中case的溫度往往可以通過(guò)熱電偶或者紅外方便測(cè)出來(lái)，那么知道了結(jié)到殼的熱阻θJC是否就能直接算出芯片Junction的溫度呢？

答案是no，這里有個(gè)問(wèn)題，根據(jù)熱阻的定義，應(yīng)用θJC算結(jié)溫，乘的功率必須是流經(jīng)case top 方向的功率，但是我們實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法定量得測(cè)出有多少功率從case top 走，又有多少的功率從PCB board走，我們只是定性得知道有95%的功率都是往PCB走；因此我們引入一個(gè)概念熱特征參數(shù)ψ，熱特征參數(shù)ψ的定義是兩點(diǎn)之間的溫度差除以總功率；

根據(jù)公式

得出

因此我們可以很方便地通過(guò)ψJT估算芯片的結(jié)溫。

總結(jié)一下：

1.熱阻θ是兩點(diǎn)之間的溫度差除以對(duì)應(yīng)流經(jīng)這兩點(diǎn)的功率;

熱阻θJA, θJC是用來(lái)評(píng)估不同芯片的thermal performance，而不是計(jì)算結(jié)溫。不同芯片熱阻的是通過(guò)統(tǒng)一的JESD51標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得，方便一些系統(tǒng)級(jí)的工程師，在做系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行芯片之間的橫向比較；

2. 熱特征參數(shù)ψ是兩點(diǎn)之間的溫度差除以總功率；

熱特征參數(shù)ψJT的計(jì)算更接近于實(shí)際應(yīng)用條件，因此計(jì)算芯片結(jié)溫往往是通過(guò)數(shù)ψJT；

三、熱阻的測(cè)試與計(jì)算

圖3

根據(jù)熱阻計(jì)算公式：

計(jì)算熱阻需要三個(gè)值，TJ,TA,PJA; 如圖3芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的熱阻值往往是通過(guò)JESD51標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行測(cè)量，下面簡(jiǎn)單介紹一下TJ,TA,PJA在JESD51熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下的測(cè)試方法。

(1). 芯片結(jié)溫TJ

圖4

圖5

JESD51-1規(guī)定芯片結(jié)溫的測(cè)試方法—用電壓測(cè)溫度，如圖4，圖5；

①測(cè)K系數(shù)：芯片中的MOSFET有寄生的體二極管body diode, 其壓降和溫度是強(qiáng)相關(guān)的。我們先選一個(gè)bode diode，通一個(gè)很小的bias 電流，大概200uA~10mA，把芯片放置恒溫箱內(nèi)，不斷改變溫度，記錄不同溫度對(duì)應(yīng)的電壓值。幾組數(shù)據(jù)下來(lái)，能夠繪制出一條電壓vs.溫度的曲線，曲線幾乎是線性，其斜率即為K系數(shù)，也叫K因子。如下圖6.

圖6

②灌功率算結(jié)溫；給芯片灌大電流，讓其發(fā)熱，對(duì)應(yīng)body diode電壓值也會(huì)隨之變化，帶入①曲線公式中，即可算出對(duì)應(yīng)的結(jié)溫；

圖4，圖5是兩種測(cè)試方法，他們區(qū)別在于：圖4測(cè)溫度和灌功率，即bias小電流和功率大電流用的是同一個(gè)diode；

圖5，測(cè)溫度和灌功率分別用不同的diode。我們實(shí)際應(yīng)用中，芯片在發(fā)熱時(shí)，die上會(huì)有很大溫度梯度，如果用不同位置的diode, 不管測(cè)溫度的diode離灌功率的diode有多近，都會(huì)存在一定的溫度分布差，造成測(cè)試結(jié)果偏小。

• 以MPQ6612A為例，（MPQ6612是一顆QFN3*4的全橋驅(qū)動(dòng)）

  下圖7是持續(xù)給MPQ6612A OUT1 LS 灌3.3W的功率，1000s后芯片的熱成像圖。P0是OUT1 LS diode的位置，即芯片最高結(jié)溫的位置，如果另外選取其他位置如P5-OUT2 LS diode測(cè)溫度作為結(jié)溫，就會(huì)存在高達(dá)~30°C的測(cè)試誤差。

圖7

圖4是目前的主流方法，也是精度最高的，即用同一個(gè)管子完成測(cè)溫度和灌功率。

• 以MPQ6612A為例，圖8：

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圖8

選取任意一個(gè)diode,先通bias小電流即Isense,測(cè)出K系數(shù)。之后通大電流灌功率即Idrive, 灌完功率后，迅速把電流切回Isense, 測(cè)出diode電壓，根據(jù)K系數(shù)和diode電壓可以測(cè)出一條降溫曲線，在軟件上對(duì)降溫曲線進(jìn)行反向擬合，校正切換瞬間噪聲，可以得出灌完功率那一刻的溫度值，即芯片最高結(jié)溫。

選取同一個(gè)管子的測(cè)試結(jié)果精度雖高，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)要求也很高。必須要讓電流切換瞬間非?？?，所以熱阻測(cè)試有專門的測(cè)試儀器T3ster，它的量測(cè)時(shí)間短至1us,即灌完功率后1us的時(shí)間，傳感器就能讀到小電流下的電壓值。

除了這兩種方法測(cè)結(jié)溫，還有比較常規(guī)的OTP法，很多芯片都有thermal sensor的單元，我們可以通過(guò)觸發(fā)OTP的threshold來(lái)作為結(jié)溫測(cè)試熱阻，但是這個(gè)方法和用不同管子電壓值測(cè)溫度一樣，在die里面thermal sensor 和灌功率單位的位置也是有溫度分布差的，因此會(huì)有很大的誤差。

(2). 芯片環(huán)境溫度TA

JESD51同時(shí)也規(guī)定了芯片測(cè)試環(huán)境等一系列要求，如圖9，空氣是自然對(duì)流還是強(qiáng)制對(duì)流，測(cè)試板的layout，2s2p還是1s0p等等。大致了解下即可。

圖9

(3). 芯片功率方向的唯一性

上面講到，兩點(diǎn)之間的熱阻是對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)之間的功率，因此我們?cè)跍y(cè)試不同熱阻時(shí)，需要保證芯片功率方向唯一性，以下圖10 θJC為例。

圖10

芯片正常應(yīng)用中是有上下兩個(gè)散熱方向即junction to case(top), junction to board。如果要測(cè)試θJC，需要保證芯片全部功耗往case top方向走，可以通過(guò)對(duì)其他散熱方向進(jìn)行絕熱處理。實(shí)驗(yàn)中可以讓芯片四周和底部用絕熱泡沫夾住，頂部用冷水板保持恒溫。仿真可以直接在case top 設(shè)置一個(gè)溫度點(diǎn)，譬如接地。

解決了JESD51標(biāo)準(zhǔn)下TJ，TA，功率方向唯一性的測(cè)試方法后，我們來(lái)看一下MPQ6612A熱仿真測(cè)試結(jié)果。

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圖11

上圖11是MPQ6612A基于JESD51標(biāo)準(zhǔn)的熱阻仿真結(jié)果。其中值得一提的是，θ_JB測(cè)試中，能看到芯片pin走線是非常寬的，遠(yuǎn)大于正常應(yīng)用，這是因?yàn)闊嶙铚y(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)是JESD51，它往往模擬的是PCB layout 很差的情況。因此我們?cè)谡?yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)EVB上測(cè)試的熱阻值或者是熱特征參數(shù)要比JESD51標(biāo)準(zhǔn)下好很多。

四、瞬態(tài)熱阻-熱阻抗

現(xiàn)在很多芯片在啟停的時(shí)候，會(huì)有比較大的電流沖擊，瞬態(tài)的功率可能是穩(wěn)態(tài)功率的幾十倍，因此瞬態(tài)結(jié)溫的高低是越來(lái)越多客戶關(guān)心的問(wèn)題。前面提到的熱阻模型都是基于穩(wěn)態(tài)下，那么研究瞬態(tài)，該構(gòu)建怎么樣的散熱模型呢？

瞬態(tài)熱阻，即熱阻抗Zth。如圖12，熱阻抗是熱阻值隨功率pulse脈寬變化的函數(shù)，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時(shí)候的熱阻抗就等于熱阻。

圖12

那么如何測(cè)試瞬態(tài)熱阻抗?即瞬態(tài)功率下對(duì)應(yīng)的結(jié)溫呢？

我們來(lái)看一下基于MPQ6612A的瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試方法和結(jié)果。

思路和前面測(cè)穩(wěn)態(tài)時(shí)一樣，選取一個(gè)管子測(cè)溫度和灌功率，但是我們可以通過(guò)改變power pulse 的脈寬，測(cè)出一個(gè)不同power pulse 脈寬下對(duì)應(yīng)的結(jié)溫，進(jìn)而得出對(duì)應(yīng)的熱阻，繪制曲線即為熱阻抗。

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圖13

圖13是MPQ6612在標(biāo)準(zhǔn)EVB上用T3ster的熱阻抗測(cè)試結(jié)果。橫坐標(biāo)是power pulse的脈寬，縱坐標(biāo)是對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)結(jié)到環(huán)境溫度的熱阻Zth。

從圖中，不難發(fā)現(xiàn)這里有兩個(gè)有趣的現(xiàn)象：

1. 脈寬達(dá)到1000s以后，熱阻抗幾乎不變，即系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時(shí)候熱阻抗等于穩(wěn)態(tài)熱阻, 即~30°C/W ，比前面熱仿真R_θJA熱阻值44°C/W 要小很多，這是因?yàn)?0°C/W 是基于標(biāo)準(zhǔn)EVB的測(cè)試結(jié)果，而44°C/W 是基于JESD51標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果，JESD51 測(cè)試板往往模擬的是PCB布局很差的情況。

2. 熱阻抗曲線，有明顯兩個(gè)拐點(diǎn)，分別是1s,100s。這是因?yàn)?s以前芯片熱量還沒有傳遞至package表面，熱量還在內(nèi)部，所以對(duì)應(yīng)1s以前的熱阻抗就非常低。而100s大概是芯片熱量均勻傳遞至PCB的時(shí)間點(diǎn)。0-1s是Package level, 1s-100s是PCB level, 100s-1000s 是system level即穩(wěn)態(tài)。

五、PCB Layout Tips

前面提到正常應(yīng)用中，芯片95%的熱都是通過(guò)PCB散熱，因此PCB合理的layout能夠更好地提高芯片的thermal performance。下面是幾個(gè)tips。

圖14MPQ6612A: 4-Layer Evaluation Board

1. 走大功率的環(huán)路布銅面積要大，布銅率要高。

2. 對(duì)散熱有更高要求可以用四層板。

3. 選PCB基板的時(shí)候，盡可能多用銅箔，少用FR4

4.靠近IC或者是功率走線，多打過(guò)孔，一個(gè)常規(guī)尺寸的過(guò)孔熱阻值也有100°C/W。

END

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