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電源IC技術(shù)的容許損耗設(shè)計(jì)問題

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:793次  |  2020年05月03日  

不論使用電源IC與否,使用IC時(shí)必須探討熱問題,切勿超過最大額定Tjmax(最大接合部溫度/結(jié)溫),并視情況進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。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(xiàng)。針對(duì)“電源IC技術(shù)規(guī)格的解讀方法”,本項(xiàng)接著說明“容許損耗”。


本項(xiàng)是“電源IC技術(shù)規(guī)格的解讀方法”最后一項(xiàng)。“技術(shù)規(guī)格的封面”、“框圖”、“絕對(duì)最大額定和推薦工作條件”、“電氣特性的要點(diǎn)”、“特性圖表、波形的看圖方法”、“應(yīng)用電路例”、“部件選定”以及“輸入等效電路”已經(jīng)說明,所有項(xiàng)目應(yīng)該可以作為解讀技術(shù)規(guī)格并讓設(shè)計(jì)順利進(jìn)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(shù)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(jiǎn)單的LDO穩(wěn)壓器為例,其計(jì)算方式如下:


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


因而,可以判斷“勉強(qiáng)安全”。當(dāng)然,實(shí)際上需要再仔細(xì)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(xì)的條件提示是有用的。


有這些條件提示的話,本身設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)畢竟只是“參考”而已。關(guān)于這個(gè)將另外說明。


舉一例。如果②的基板條件相當(dāng)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(wěn)壓器例子中,可以取得0.8A左右。開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)雖然計(jì)算有點(diǎn)麻煩,不過如果可以測(cè)量效率(輸出功率/輸入功率)的話,1-效率將變?yōu)閾p耗。如果為內(nèi)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(jì)算(測(cè)量)控制IC的損耗。當(dāng)然,就電源電路而言,外置功率晶體管的熱計(jì)算是必須的。


那么,看了此圖表之后沒有注意到什么嗎?當(dāng)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(zhì)疑。當(dāng)周圍溫度下降時(shí),在計(jì)算上應(yīng)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?yàn)闊o法完全功耗,故發(fā)熱為零,也就是Ta=Tj的條件。


過去時(shí)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(jì)算上應(yīng)該可以容許這一點(diǎn)損耗


其實(shí),有關(guān)于此雖然眾說紛紜,不過想必是慣例,一般如果假設(shè)室溫為25℃的話,即使沒有通電Tj也有25℃,如果設(shè)定2.66W以上則通電瞬間有超過Tjmax的危險(xiǎn),因此25℃以下的容許損耗適用25℃的值應(yīng)該比較安全。當(dāng)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(jù),容許損耗想必可以配合計(jì)算。


盡管有點(diǎn)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(wù)必得遵照求Tj的基本公式進(jìn)行確認(rèn),而計(jì)算結(jié)果更應(yīng)該以實(shí)測(cè)驗(yàn)證。


曾經(jīng)看過容許損耗圖表的數(shù)值和計(jì)算結(jié)果不合的圖表,對(duì)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(huì)變短,故通常會(huì)降額,也就是取余量。也因此,對(duì)于所提示的信息根據(jù)有必要進(jìn)行某程度的確認(rèn)。


最后,說明將前述“參考”兩字框起來強(qiáng)調(diào)的理由。實(shí)際上,技術(shù)規(guī)格提示的基板條件極少數(shù)能與本身設(shè)計(jì)吻合。大多把目標(biāo)放在“大致上接近”或“比這個(gè)好而比這個(gè)差”等。此外,甚至因功率設(shè)備并排于旁側(cè)或冷卻條件(風(fēng)扇等)、框體或設(shè)定場(chǎng)所的關(guān)系等導(dǎo)致散熱、熱阻、Ta成為相當(dāng)不確定要素,計(jì)算過于復(fù)雜的話有時(shí)無法驗(yàn)證。因此,探討所提供的信息并確認(rèn)計(jì)算,最后再進(jìn)行實(shí)測(cè)的過程非常重要。特別是近年安裝的高密度化,有時(shí)會(huì)有無法隨心所欲利用散熱空間或散熱器等情況發(fā)生。在電源設(shè)計(jì)時(shí),希望能大家充分理解熱探討和熱設(shè)計(jì)是非探討不可的項(xiàng)目。


關(guān)鍵要點(diǎn):


?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(shí)施熱設(shè)計(jì)。


?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(fā)熱和周圍溫度的和終究不超過Tjmax。


?技術(shù)規(guī)格提供的容許損耗或熱電阻為特定條件下的值,與本身設(shè)計(jì)的條件大多不會(huì)一致,故須作為參考值,務(wù)必以實(shí)機(jī)進(jìn)行確認(rèn)。


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