设计电源管理电路时必需考虑的散热问题
时间:11-23
来源:EDN
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开关中的总功耗变为NFET(RDS_ON=125mΩ) 的45mW加 PFET(RDS_ON=152mΩ)的265mW。此外,电流源的功耗为300mV×1.2A=360mW,使得内部总功耗达到668mW。数据表中给出的RJ-A为60℃/W,且来自4层JEDEC测试板(详见JESD51-7)。使用该RJ-A时,预测结温在TA=50℃时为83.4℃。这对器件将不构成问题,因为它低于150℃的热关机阈值,且低于LM3554数据表中指定的最大工作结温125℃。
在另一种情况下,可以将 LM3554设置为在同一闪光脉冲期间恒定输出+5V。300mV电流源净电压现在变为5V–3.6V=1.4V,导致电流源功耗为1.68W。假设器件在以1.2A电流提供5V电压时效率仍为90%,则占空比为35.2%,从而使直流电感电流1.85A具有288mA的ΔIL。NFET功耗现在为 151mW,PFET功耗为338mW。总的内部功耗2.169W,在TA=50℃时会导致高达180℃的核心温度,这比热关机阈值高30℃,且比最大工作结温高55℃。
在现实中,该设备不会安装在4LJEDEC测试板上,而会安装在具有不同布线面的PCB上,它靠近消耗功率的其他元件,且到低层的过孔数也各不相同。所有这些应用变量,加之许多其他因素都会显著影响RJ-A,从而降低结温计算的准确度。
测量热阻抗(RJ-A和CJ-A)
我们需要的是代表实际电路的准确RJ-A。测量RJ-A有多种方法,一种方法是使用热关机阈值,将其设置为+150℃。要用这种方法测量RJ-A,我们可以让LM3554在已知功耗(PDISS)下工作,然后慢慢提高环境温度直到器件关机为止。该器件具有一个内部标志,可以通过I2C兼容接口设置,在触及热关机阈值时会返回‘1’。使用这种方法获得的RJ-A将为:
为了测试 LM3554,我们可以查看LEDI/NTC 引脚,并从该引脚拉出小电流(< 10mA),同时让温度变化。每个引脚的最大绝对额定值最小为-0.3V,但那是由于ESD二极管在最高结温 +150℃时的VF而引致的。如果将电流限制为小于10mA,我们可以在不损害器件和增加任何自热的情况下查看二极管的VF。从+25℃到+125℃,该引脚的测量结果产生线性响应,斜率大约为1.3mV/℃。一旦这项工作结束,就可以在测量所选 ESD 二极管VF 的同时,让器件在已知功耗下工作。当VF 达到稳态时,RJ-A 将为:
最后一种方法是使用MOSFET的导通电阻随温度而发生的变化。这种方法是在器件处于上电模式时使用内部PFET来完成。LM3554上的上电模式是指器件停止开关并持续打开PFET。如果VIN升至比VOUT高150mV时就会出现这种情况。在那时,升压转换器无需提升VOUT,而PFET会使VIN直接到VOUT 。
因为电流有些轻微依赖MOSFET的导通电阻,所以有必要在电流接近目标闪光电流时测量 PFET电阻。使用大测试电流的问题是它们可能导致器件发热。克服此问题的方法是将闪光超时时间设置为最低 32ms,并在示波器上测量PFET的电压降。在+25℃到+125℃的情况下,使用1.2A闪光电流,结果显示的斜率大约为 0.42mΩ/℃ 。要注意的一个事情是PFET通过VOUT引脚供电,因此VOUT=5V时,其导通电阻会低于VOUT=3.9V时的电阻值。
使用上述三种方法,当PDISS=1.67W时,使用热量关机测量法得出的结果为45℃/W,使用ESD二极管VF测量法得出的结果为 42℃/W,使用PFET导通电阻法测量的结果为48℃/W。图3显示了在0.856A闪光LED测试电流脉冲期间,PFET的导通电阻以及ILED /NTC的ESD二极管的VF。器件的VIN设置为5V,超时时间设置为1024ms。VLED为3.18V时,使得该电压强制 LM3554 进入上电模式。在这种模式下,功耗完全由PFET和电流源导致。
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