利用热分析预测IC的瞬态效应并避免过热

图3. 三体模型与图2所示模型的比较。此时，管芯产生的热流动更为复杂。

　　RC网络模型瞬态热特性的微分方程

　　现在，我们提出一个类似的微分方程，用作电路建模，我们对电路进行仿真，并通过仿真得到温度读数。微分方程18、19和20可通过代表管芯产生功率的RC简单网络(图4)进行模拟。

　　图4中，电容的初始电压分别表示管芯(C1)、环氧树脂(C2)和封装(C3)的温度。VA表示环境温度，IS (流入电容C1的电流)表示管芯产生的功率。表示电容电压的差分方程为：

　　电容电压与管芯、环氧树脂和封装的温度直接相关。任何SPICE工具包均可方便地仿真RC电路。若已知具体芯片模型的R1、R2、R3、C1、C2和C3的适当参数，即可对该电路进行仿真，并直接以电容C1电压的形式读取管芯温度。

图4. 该RC网络用于仿真内部产生热量时芯片的瞬态热特性。

　　现在，我们可以确定具体芯片的无源元件值(R1、R2、R3、C1、C2和C3)。通过测量管芯最终的稳态温度，利用式5 (以下改写为式25)得到系统的热阻(θJA)：

(式25)

　　其中：TJ为管芯的稳态结温；TA为环境温度；PG为管芯的耗散功率。

　　工作在与式25相同的耗散功率(PG)下，从时间0开始，不同时间测量的管芯温度可以构成反映管芯瞬时温度变化的一组数据。然后，根据以下约束条件，对于实测数据进行曲线拟合，可以确定R1、R2、R3、C1、C2和C3值。

(式26)

　　测量管芯温度

　　有几种测量集成电路管芯温度的方法3。这里，我们将采用ESD二极管正向压降测量法确定芯片温度，因为这一方法简单且不会引入大的误差。但是，为了保证测量误差在可以接受的范围内，需要针对具体芯片谨慎选择管芯温度的测量技术。实践证明，遵循以下原则非常关键3。

　　1.确保选择用于测量的ESD二极管没有很大的寄生电阻，也不会流过大电流，以免造成二极管压降读数偏差。最好与IC制造商讨论确定内部焊线和金属电阻的最大估算值。

　　2.还要确定ESD二极管接近芯片热源或处于实际考虑管芯温度的区域内。这种配置能够更好地估算温度，获得更准确的结果。

　　3.若选择FET的导通电阻估算温度指示，请确保FET在测试温度下完全导通，并处于最小压降。

　　利用ESD二极管正向压降进行测量时，需要芯片上的二极管作用了正向偏压，对其电压进行测量。大多数芯片很容易做到这点，将ESD二极管连接在引脚与电源电压之间即可。因为实测数据为二极管压降，还必须考虑二极管电压与温度之间的关系式4。

图5. 固定电流偏置下，二极管正向压降随温度的变化关系。

　　二极管电压以接近恒定的斜率下降，偏差可以忽略不计。如果绘制随温度变化的曲线，可以得到类似于图5的结果。图5中，TA为环境温度，VDA为环境温度下的二极管电压，由此，我们得到曲线上的一个点及斜率。在温控炉内不同温度点对二极管电压进行测量，即可得到斜率。或采用一个常见数值：2mV/°K，该值在各种二极管电流范围都有效，误差很小4。这些数值同样适用其它芯片，但出于准确度的考虑，最好测量对应于二极管偏置电流的斜率。至此，可以利用二级管电压表示任何温度：

　　为了恰当地将RC网络用于实测二极管电压瞬态数据的曲线拟合，我们只需将电流源的幅值设置为：IS = sPG (式33)

　　由于s < 0，通过将电流源反向并将其幅值设置为|sPG|即可实现式33。

　　RC网络的实验测定和验证

　　我们可利用以上得出的方程式和线性LED驱动器(例如MAX16828/MAX16815)验证RC仿真模型的实际应用。这些芯片工作在最高40V电压，几乎不需要外部元件，MAX16828能够为一串LED供电，最大电流可达200mA (图6)。MAX16815与MAX16828引脚兼容，功能相似，但最大输出电流可达100mA，而非200mA。两款LED驱动器都适合于汽车应用，例如，用于侧灯、汽车尾灯、背光和指示灯。如果内部MOSFET需要承受较大电流，而且具有较大压差时，MAX16828将需要耗散相当可观的热量(LED串的正向电压较低时，MOSFET会发生这种情况)。RSENSE两端的电压调节在200mV ±3.5%，该电阻用于设置LED电流。芯片的DIM输入为LED提供较宽范围的PWM调光，因为它能够承受高压，可以直接将其连接到IN引脚。为了直接显示管芯温度，我们对连接在DIM和IN引脚之间内部ESD二极管的正向偏压进行测量。该二极管偏置在大约100μA，其正向电压变化率为2mV/°K (这点可通过温控炉对器件加热进行验证)，实验设置如图7所示。5V电源和56kΩ电阻提供100μA偏置电流，为ESD二极管提供正向偏置。驱动器设置为可向LED提供200mA的输出电流。