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電源IC技術的容許損耗設計問題

鉅大LARGE  |  點擊量:796次  |  2020年05月03日  

不論使用電源IC與否,使用IC時必須探討熱問題,切勿超過最大額定Tjmax(最大接合部溫度/結溫),并視情況進行散熱設計。特別是電源IC等處理大功率的IC或晶體管上可以說是必須的探討事項。針對“電源IC技術規格的解讀方法”,本項接著說明“容許損耗”。


本項是“電源IC技術規格的解讀方法”最后一項。“技術規格的封面”、“框圖”、“絕對最大額定和推薦工作條件”、“電氣特性的要點”、“特性圖表、波形的看圖方法”、“應用電路例”、“部件選定”以及“輸入等效電路”已經說明,所有項目應該可以作為解讀技術規格并讓設計順利進行的提示,推薦全部瀏覽。


容許損耗

IC的容許損耗(適用于大多數電子部件),意指不超過其IC可維持性能的溫度的最大的功耗。例如,如果某電源IC的容許損耗為“1.2W”,則單純來說,在該條件下所損耗的功率只要不超1.2W即可。


以簡單的LDO穩壓器為例,其計算方式如下:


輸入為5V、輸出為3.3V、輸入電流(自我消耗+負載)為0.7A時:(5V-3.3V)×0.7A=1.19W


因而,可以判斷“勉強安全”。當然,實際上需要再仔細探討。


容許損耗基本上大多以圖表顯示,以下為圖表示例。


首先,從圖表的①2.66W的曲線可知,25℃為止可以容許2.66W,不過超過25℃以上的話容許損耗便直線式減少,此IC的最大工作Ta85℃則可以容許1.4W。


①~④是提示基板和面積的條件,容許損耗因安裝條件而異。此外,也顯示其條件下的熱電阻θj-a。近年許多電源IC為表貼封裝,容許損耗視安裝條件而有極大的不同,因此這類詳細的條件提示是有用的。


有這些條件提示的話,本身設計只要以最近條件的容許損耗作為“參考”即可。之所以將“參考”兩字框起來,是想強調畢竟只是“參考”而已。關于這個將另外說明。


舉一例。如果②的基板條件相當接近,安裝基板的Ta上限為50℃的話,則知可容許1.4W弱的損耗。在上述LDO穩壓器例子中,可以取得0.8A左右。開關穩壓器時雖然計算有點麻煩,不過如果可以測量效率(輸出功率/輸入功率)的話,1-效率將變為損耗。如果為內置功率晶體管型的話以此便可以求得,不過外置功率晶體管型則必須只計算(測量)控制IC的損耗。當然,就電源電路而言,外置功率晶體管的熱計算是必須的。


那么,看了此圖表之后沒有注意到什么嗎?當然,此圖表由于提供了一般性充分的信息,因此有稍微深讀之意。


(1)0℃~25℃為何容許損耗相同?


(2)Ta=150℃且容許損耗為0W。


理論上(1)令人質疑。當周圍溫度下降時,在計算上應該可以增加功率損耗。(2)想必立刻注意到,由此可知Tjmax為150℃。因為無法完全功耗,故發熱為零,也就是Ta=Tj的條件。


過去時而被問到(1)的問題,難得從圖表讀取了Tjmax,也有提供θj-a,那就以①的條件為例試算看看。


從Tj=θj-a×pD+Ta得47.0℃/W×2.66W(@Ta=25℃)+25℃=150℃←Tjmax的條件


從150℃=47.0℃/W×?W(@Ta=0℃)+0℃得3.19W←0℃的話計算上應該可以容許這一點損耗


其實,有關于此雖然眾說紛紜,不過想必是慣例,一般如果假設室溫為25℃的話,即使沒有通電Tj也有25℃,如果設定2.66W以上則通電瞬間有超過Tjmax的危險,因此25℃以下的容許損耗適用25℃的值應該比較安全。當然,寒冷地帶等沒有25℃以上,那是非常特殊的條件且只要有可靠的證據,容許損耗想必可以配合計算。


盡管有點脫軌,然而這里所要陳述的是,如果有提供容許損耗的圖表,利用上雖然沒有問題,不過務必得遵照求Tj的基本公式進行確認,而計算結果更應該以實測驗證。


曾經看過容許損耗圖表的數值和計算結果不合的圖表,對此,想必是將已降額的值作為容許值了。反之,如果所提供的容許損耗值正好是Tjmax的話,在其損耗條件下使用就可靠性而言等于是在最差條件下使用,工作壽命將會變短,故通常會降額,也就是取余量。也因此,對于所提示的信息根據有必要進行某程度的確認。


最后,說明將前述“參考”兩字框起來強調的理由。實際上,技術規格提示的基板條件極少數能與本身設計吻合。大多把目標放在“大致上接近”或“比這個好而比這個差”等。此外,甚至因功率設備并排于旁側或冷卻條件(風扇等)、框體或設定場所的關系等導致散熱、熱阻、Ta成為相當不確定要素,計算過于復雜的話有時無法驗證。因此,探討所提供的信息并確認計算,最后再進行實測的過程非常重要。特別是近年安裝的高密度化,有時會有無法隨心所欲利用散熱空間或散熱器等情況發生。在電源設計時,希望能大家充分理解熱探討和熱設計是非探討不可的項目。


關鍵要點:


?不論是否為電源IC都須確保沒有超過Tjmax。特別是高功率的電源IC更必須實施熱設計。


?容許損耗、封裝熱電阻、降額等條件提示的種類有如果可以,不論如何自我發熱和周圍溫度的和終究不超過Tjmax。


?技術規格提供的容許損耗或熱電阻為特定條件下的值,與本身設計的條件大多不會一致,故須作為參考值,務必以實機進行確認。


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