【工程師筆記】Driver IC 熱阻模型概述與計算

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芯片散熱是越來越多客戶關心的問題，那么如何構(gòu)建相應的物理模型進行分析和計算？

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《電機驅(qū)動IC熱阻模型概述與計算》研討會

一、熱阻的定義及熱阻網(wǎng)絡模型

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

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)生的熱量傳導至直接和die接觸的case top 和PCB board，之后再從case top, PCB board 以熱交換，熱輻射形式傳播至空氣；

因此QFN對應的熱阻模型可以簡化成一個2R網(wǎng)絡，四個熱阻值，分別是θJC, θCA, θJB, θBA. 如圖2；

圖2

這里有兩個細節(jié)：

1.熱阻θ的定義是兩點之間的溫度差除以對應流經(jīng)這兩點的功率，是一個有實際意義的物理量，θJC,θJB, 通常是由芯片封裝決定的，無法改變；θCA, θBA通常是由芯片外圍空間大小，空氣對流情況，有無散熱器，以及PCB layout 決定；

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

二、熱阻的應用

如圖2，根據(jù)公式

因此

其中case的溫度往往可以通過熱電偶或者紅外方便測出來，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，這里有個問題，根據(jù)熱阻的定義，應用θJC算結(jié)溫，乘的功率必須是流經(jīng)case top 方向的功率，但是我們實際應用中無法定量得測出有多少功率從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；因此我們引入一個概念熱特征參數(shù)ψ，熱特征參數(shù)ψ的定義是兩點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ψJT估算芯片的結(jié)溫。

總結(jié)一下：

1.熱阻θ是兩點之間的溫度差除以對應流經(jīng)這兩點的功率;

熱阻θJA, θJC是用來評估不同芯片的thermal performance，而不是計算結(jié)溫。不同芯片熱阻的是通過統(tǒng)一的JESD51標準測得，方便一些系統(tǒng)級的工程師，在做系統(tǒng)級設計時，進行芯片之間的橫向比較；

2. 熱特征參數(shù)ψ是兩點之間的溫度差除以總功率；

熱特征參數(shù)ψJT的計算更接近于實際應用條件，因此計算芯片結(jié)溫往往是通過數(shù)ψJT；

三、熱阻的測試與計算

圖3

根據(jù)熱阻計算公式：

計算熱阻需要三個值，TJ,TA,PJA; 如圖3芯片數(shù)據(jù)手冊中提供的熱阻值往往是通過JESD51標準下進行測量，下面簡單介紹一下TJ,TA,PJA在JESD51熱測試標準下的測試方法。

(1). 芯片結(jié)溫TJ

圖4

圖5

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

①測K系數(shù)：芯片中的MOSFET有寄生的體二極管body diode, 其壓降和溫度是強相關的。我們先選一個bode diode，通一個很小的bias 電流，大概200uA~10mA，把芯片放置恒溫箱內(nèi)，不斷改變溫度，記錄不同溫度對應的電壓值。幾組數(shù)據(jù)下來，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，對應body diode電壓值也會隨之變化，帶入①曲線公式中，即可算出對應的結(jié)溫；

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

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

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

  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測溫度作為結(jié)溫，就會存在高達~30°C的測試誤差。

圖7

圖4是目前的主流方法，也是精度最高的，即用同一個管子完成測溫度和灌功率。

• 以MPQ6612A為例，圖8：

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圖8

選取任意一個diode,先通bias小電流即Isense,測出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, 測出diode電壓，根據(jù)K系數(shù)和diode電壓可以測出一條降溫曲線，在軟件上對降溫曲線進行反向擬合，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。

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

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

(2). 芯片環(huán)境溫度TA

JESD51同時也規(guī)定了芯片測試環(huán)境等一系列要求，如圖9，空氣是自然對流還是強制對流，測試板的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，兩點之間的熱阻是對應兩點之間的功率，因此我們在測試不同熱阻時，需要保證芯片功率方向唯一性，以下圖10 θJC為例。

圖10

芯片正常應用中是有上下兩個散熱方向即junction to case(top), junction to board。如果要測試θJC，需要保證芯片全部功耗往case top方向走，可以通過對其他散熱方向進行絕熱處理。實驗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 設置一個溫度點，譬如接地。

解決了JESD51標準下TJ，TA，功率方向唯一性的測試方法后，我們來看一下MPQ6612A熱仿真測試結(jié)果。

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圖11

上圖11是MPQ6612A基于JESD51標準的熱阻仿真結(jié)果。其中值得一提的是，θ_JB測試中，能看到芯片pin走線是非常寬的，遠大于正常應用，這是因為熱阻測試的標準是JESD51，它往往模擬的是PCB layout 很差的情況。因此我們在正常應用中，標準EVB上測試的熱阻值或者是熱特征參數(shù)要比JESD51標準下好很多。

四、瞬態(tài)熱阻-熱阻抗

現(xiàn)在很多芯片在啟停的時候，會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)溫的高低是越來越多客戶關心的問題。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)，當時間足夠長時，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，這時候的熱阻抗就等于熱阻。

圖12

那么如何測試瞬態(tài)熱阻抗?即瞬態(tài)功率下對應的結(jié)溫呢？

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

思路和前面測穩(wěn)態(tài)時一樣，選取一個管子測溫度和灌功率，但是我們可以通過改變power pulse 的脈寬，測出一個不同power pulse 脈寬下對應的結(jié)溫，進而得出對應的熱阻，繪制曲線即為熱阻抗。

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圖13

圖13是MPQ6612在標準EVB上用T3ster的熱阻抗測試結(jié)果。橫坐標是power pulse的脈寬，縱坐標是對應的瞬態(tài)結(jié)到環(huán)境溫度的熱阻Zth。

從圖中，不難發(fā)現(xiàn)這里有兩個有趣的現(xiàn)象：

1. 脈寬達到1000s以后，熱阻抗幾乎不變，即系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，這時候熱阻抗等于穩(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，這是因為30°C/W 是基于標準EVB的測試結(jié)果，而44°C/W 是基于JESD51標準的測試結(jié)果，JESD51 測試板往往模擬的是PCB布局很差的情況。

2. 熱阻抗曲線，有明顯兩個拐點，分別是1s,100s。這是因為1s以前芯片熱量還沒有傳遞至package表面，熱量還在內(nèi)部，所以對應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的時間點。0-1s是Package level, 1s-100s是PCB level, 100s-1000s 是system level即穩(wěn)態(tài)。

五、PCB Layout Tips

前面提到正常應用中，芯片95%的熱都是通過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. 對散熱有更高要求可以用四層板。

3. 選PCB基板的時候，盡可能多用銅箔，少用FR4

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

END

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