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用结点温度评估器件可靠性的案例分析


  来源: 仪器仪表商情网 时间:2015-11-12 作者:致远电子
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工程师在设计一款产品时用了一颗9A的MOS管,量产后发现坏品率偏高,经重新计算分析后,换成了一颗5A的MOS管,问题解决。为什么用电流裕量更小的器件,却能提高可靠性呢?

工程师在设计的过程中非常注意元器件性能上的裕量,却很容易忽视热耗散设计,案例分析我们放到最后说,为了帮助理解,我们先引入一个概念:

其中Tc为芯片的外壳温度,PD为芯片在该环境中的耗散功率,Tj表示芯片的结点温度,目前大多数芯片的结点温度为150℃,Rjc表示芯片内部至外壳的热阻,Rcs表示外壳至散热片的热阻,Rsa表示散热片到空气的热阻,一般功率器件用Rjc进行计算即可。

图1功率器件热阻分布示意图

举个例子来说,大家常用的S8050在25℃(Tc)的最大耗散功率是0.625W,额定电流为0.5A,最高结点温度为150℃,此代入公式有:

从上面公式可以推算出Rja为200℃/W(Rja表示结点到空气的热阻)。假设芯片壳温(Tc)为55℃,热耗散功率有0.5W时,此刻芯片结点温度为:Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃,已经超过了最高结温150℃了。故需要降额使用,然而降额曲线在数据手册中并未标注,所以小编只能自行计算。

在25℃(Tc)时有公式:恒成立。

把线性降额因子设为F,则在任意温度时有:

代入已知参数得到F>5mW/℃,一般为了满足裕量要求,降额因子往往取得更大才能满足可靠性设计要求。

由于小晶体管和芯片是不带散热器的,这时就要考虑壳体到空气之间的热阻。一般数据手册会给出Rja(结到环境之间的热阻)。那么三极管S8050,其最大功率0.625W是在其壳温25℃时取得的。倘若环境温度刚好为25℃,芯片自身又要消耗0.625W的功率,那么为了满足结点不超过150℃,唯一的办法就是让其得到足够好的散热。

好了,我们把问题转回到最初的场效应管为什么需要从9A变成5A性能更可靠的问题上来,场效应管的损耗通常来自导通损耗与开关损耗两种,但在高频小电流条件下以开关损耗为主,由于9A的场效应管在工艺上决定了其栅极电容较大,需要较强的驱动能力,在驱动能力不足的情况下导致其开关损耗急剧上升,特别在高温情况下由于热耗散不足,导致结点温度超标引发失效。如果在满足设计裕量的条件下换成额定电流稍小的场管以后,由于两种场管在导通内阻上并不会差距太大,且导通损耗在高频条件下相比开关损耗来说几乎可以忽略不计,这样一来5A的场管驱动起来就会变得容易很多,开关损耗降下去了,使用5A场管在同样的温度环境下结点温度降低在可控范围,自然就不会再出现热耗散引起的失效了,当然遇到这种情况增强驱动能力也是一个很好的办法。

图2开关器件损耗分析示意图

关键词:MOS管 电流裕量 芯片    浏览量:340

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