熱管理設(shè)計的通用問題和定義?
??? 任何半導(dǎo)體器件都會消耗功率釋放一定的熱量，熱量通過三個途徑散發(fā)出去：封裝頂部到空氣、封裝底部到電路板以及封裝引腳到電路板。在MAX11500、MAX11501/MAX11502、MAX11504/MAX11505視頻濾波器" title="視頻濾波器">視頻濾波器中，主要的散熱通道是從引腳到電路板。熱阻" title="熱阻">熱阻是表示材料導(dǎo)熱性的參數(shù)，用希臘字母Θ (theta)表示，是希臘語中表示熱的單詞Θερμο? (thermos)的第一個字母。
??? 從結(jié)到管殼的熱阻稱為ΘJC，從管殼到周圍環(huán)境的熱阻稱為ΘJC，從結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻稱為ΘJA。熱模型與電子仿真模型(圖1)類似，兩個模型都使用了電容。溫度類似于電壓，而熱量類似于電流。電子設(shè)計中，如果電流流過電阻就會產(chǎn)生壓差。同樣，如果熱量流經(jīng)熱阻就會產(chǎn)生溫差。另外，如果只有短暫的瞬間通過熱量，熱電容會旁路熱量，只會產(chǎn)生很小的溫升，物體加熱時需要時間。
圖1. 通過器件引腳散熱的電子仿真?
?
??? 大部分情況下，ΘJC小于ΘCA，CTJC小于CTCA，這個關(guān)系可以用下式表示。以下討論中我們將忽略電容，只研究靜態(tài)情況，這與視頻濾波器的工作狀況更接近。通常會使用ΘJA，因為封裝是由JEDEC標(biāo)準(zhǔn)、JES51-3或JES51-7中定義的標(biāo)準(zhǔn)PCB規(guī)定的。?
???
??? ΘJA = ΘJC + ΘCA????? TJ = TA + PD xΘJA?
?
??? 知道封裝的" title="封裝的">封裝的熱阻后，可以根據(jù)給定的耗散功率和環(huán)境溫度計算結(jié)溫。問題是，IC的結(jié)溫取決于PCB的散熱能力，即結(jié)到周圍環(huán)境的實際熱阻。
??? 我們可以考慮一個簡單例子，如果器件的VCC = 5.0V，吸收電流為100mA。最大" title="最大">最大環(huán)境溫度為40°C，最大容許結(jié)溫為150°C。功耗可以表示為：
??? PD = V x I，??? PD = 5 x 0.1 = 0.5W
??? 假定ΘJA = 150°C/W，設(shè)備必須工作在散熱條件良好的40°C環(huán)境，結(jié)溫按下式計算：
??? TJ = 40 + 0.5 x 150 = +115.5℃
??? 這個溫度遠遠低于最大管芯溫度，所以器件不會出現(xiàn)過熱問題。這個過程看上去很簡單，但實際執(zhí)行時很復(fù)雜。對于小尺寸IC，因為它與PCB布局有關(guān)，所以很難確定ΘJA的實際值。?
封裝規(guī)格?
??? 以下內(nèi)容為MAX11501視頻濾波驅(qū)動器產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料中給出的額定工作范圍。?
?
絕對工作范圍?：
?
??? VCC至GND......................................................-0.3V至+6V
??? 其它引腳與GND之間.......-0.3V至(VCC + 0.3V)和+6V中的較小電壓
??? 連續(xù)功耗(TA = +70°C)
??? 8引腳SOIC (降額系數(shù)5.9mW/°C，+70°C以上)............470mW
??? 允許進入任何引腳(VCC和GND除外)的最大電流...................±50mA?
?
工作溫度范圍：
??
??? MAX1150xUSA...............................................0°C至+85°C
??? 儲存溫度范圍................... .............................-65°C至+150°C
??? 引腳溫度(焊接，10s) .................................................+300°C
??? 結(jié)溫................... ...................................................+150°C?
?
??? 本討論中的關(guān)鍵規(guī)格是連續(xù)耗散功率和結(jié)溫，最高結(jié)溫是150°C，最大可耗散功率在70°C環(huán)境溫度下為470mW，該條件會導(dǎo)致管芯溫度達到150°C。因此，我們可以按照下式計算ΘJA：
???
??? ΘJA = (TJ – TA)/PD = (150 – 70)/0.47 = 170℃/W?
??? 因為ΘJA是降額因子的倒數(shù)，很容易驗證。
??? 1/170 = 0.00588W/℃
??? 這些數(shù)據(jù)取自該封裝的JEDEC規(guī)范。對于Maxim視頻濾波器，有三個相關(guān)規(guī)范： ?
??? 1.EIA/JESD51-3，含鉛、表面貼封裝的低效熱傳導(dǎo)測試板 ?
??? 2.EIA/JESD51-5，封裝帶有直接導(dǎo)熱附件的熱測試板標(biāo)準(zhǔn)擴展??
??? 3.EIA/JESD51-7，含鉛、表面貼封裝的高效熱傳導(dǎo)測試板 ?
?
??? MAX11500–MAX11505的封裝規(guī)格如表1所示。
表1. 視頻濾波器封裝的熱特性參數(shù) ?
?
? 型號?????????????????單層板?????????????????????????? 多層板
??????????ΘJA/°C/W? ΘJC/°C/W ΘCA/°C/W??? ΘJA/°C/W ΘJC/°C/W? ΘCA/°C/W?
?MAX11500?? ?170?????????? 40????????? 130??????????? 136?????????38??????????98?
?MAX11501??? 170?????????? 40??????????130??????????? 136?????????38??????????98?
?MAX11502??? 170?????????? 40??????????130??????????? 136?????????38??????????98?
?MAX11504??? 180?????????? 42??????????138??????????? 113?????????42??????????71?
?MAX11505??? 180?????????? 42??????????138??????????? 113?????????42??????????71?
實際環(huán)境中的視頻信號和IC?
??? JEDEC規(guī)范詳細(xì)定義了用來測試器件的標(biāo)準(zhǔn)PCB，這個規(guī)范能夠按照規(guī)定的方式測試器件并進行比較和定義。但實際中，器件不可能安裝在與JEDEC定義電路板完全相同、具有同樣熱特性的電路板上，電路板也不會具有同樣的布局。
??? 以下給出了一個典型的電路布局，
?
??? 引腳4和5連接在一個大面積的覆銅層，它們是電源和地引腳，耗散大部分的能量，器件底部沒有散熱焊盤。?
圖2. MAX11501評估板
功耗計算
?
??? 視頻濾波器的功耗來源于靜態(tài)和信號，靜態(tài)功耗計算很簡單，從數(shù)據(jù)資料就可以直接得到數(shù)據(jù)。
MAX11501數(shù)據(jù)資料標(biāo)明VCC = 5.0V時，電源電流典型值為18mA，最大值為24mA。因此，靜態(tài)功耗最大值為120mW。
由信號產(chǎn)生的功耗按照下式定義：
??? 式中: ?
- Pdo = 通道功耗 ?
- Vorms = 通道輸出的rms電壓 ?
- Rl = 通道負(fù)載電阻 ?
- VCC = 器件電源電壓 ?
??? 計算器件的總功耗只需將每個通道的功耗與器件的靜態(tài)功耗相加。
??? 整個過程看上去很簡單，但無法知道RMS輸出電壓，它與視頻信號有關(guān)。?
最差工作條件下的視頻信號?
??? 有幾種需要考慮的信號：CVBS、Y/C、RGB和YUV。最差工作條件出現(xiàn)在100%白電" title="白電">白電平RGB圖像，每個通道需要驅(qū)動兩倍負(fù)載。這是我們將要考慮的信號。
行信號如圖3所示。
圖3. 視頻波形
??? PAL和NTSC場消隱間隔分別如圖4和5所示。
圖4. PAL場消隱和場同步脈沖
?
圖5. NTSC場消隱和場同步脈沖，注：NTSC定義最小場消隱周期占19H，但它可以更長
?
??? 根據(jù)上述信息，我們可以計算信號的RMS電壓。首先計算PAL制式的情況。行電壓的RMS按照下式計算，式中同步頭歸一化到1V峰值白電平。
??? VRMS = (5.75 x 0.3 + 52 x 1.0 + 1.55 x 0.3)/64 = 0.847V
??? 該式適用于場消隱周期以外的575行。我們可以用同樣的方法計算場消隱間隔內(nèi)的RMS行電壓。計算結(jié)果以及最終的RMS值如表2所示。
表2. PAL制式的RMS電壓計算?
行號?????????????????????????????????????????? 對應(yīng)行的RMS電壓
623??????????????????????????????????????????? 1???????????????????????? 0.552?
624, 625, 4, 5, 311, 312, 316, 317???????????? 8??????????????????????? ?0.278?
1, 2, 314, 315???????????????????????????????? 4???????????????????????? 0.044?
3????????????????????????????????????????????? 1???????????????????????? 0.161?
6-22, 318-335???????????????????????????????? ?34??????????????????????? 0.278?
23???????????????????????????????????????????? 1???????????????????????? 0.562?
313??????????????????????????????????????????? 1???????????????????????? 0.161?
所有有效行?????????????????????????????????????575??????????????????????? 0.847?
共計??????????????????????????????????????? ?? 625???????????????????? ??
總計RMS???????????????????????????????????? ??????????????????????????? ? 0.800?
??? 表3所示為針對NTSC制式的近似計算。
?
表3. NTSC制式的RMS電壓計算 ?
行號???????????????????????????????????????????????????????? 對應(yīng)行的RMS電壓
1, 2, 3, 264, 265??????????????????????????????????? 5???????????????????????? 0.044?
523, 524, 525, 4, 5, 6, 261, 262, 267, 268?????????? 10????????????????????? ? 0.278?
7-16, 269-278??????????????????????????????????????? 20??????????????????????? 0.278?
260?????????????????????????????????????????????????? 1??????????????????????? 0.557?
263?????????????????????????????????????????????????? 1??????????????????????? 0.161?
266?????????????????????????????????????????????????? 1??????????????????????? 0.161?
所有有效行??????????????????????????????????????????? 487????????????????? ???? 0.858?
共計????????????????????????????????????????????????? 525???????????????????? ??
總計RMS??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 0.814?
??? 如果同步頭高于0V，只需簡單增加一個偏置，與最終結(jié)果相加即可得到總的RMS值。因此，對于PAL制式，總的RMS電壓占同步脈沖(峰值白電平加直流偏置)的80%；對于NTSC制式，占81%。大部分工程師實際采用80%。?
實際舉例?
??? 下面考察一個最差工作條件下的例子，將MAX11501三通道視頻濾波器用于625行RGB信號。
??? 輸入、輸出采用直流耦合，輸入端峰值白電平為1.4V，這是所容許的最大輸入電壓。考慮到5%的開銷，輸入端最大同步脈沖到峰值白電平的電壓為1.05V。因此，我們得到的電壓如圖6所示。
圖6. 示例中的輸入、輸出電壓
?
??? 隨后我們可以很容易地計算出典型功耗和最大功耗： ?
??? 1.計算RMS輸出電壓 ?
??? 2.計算每通道功耗 ?
??? 3.計算總功耗 ?
??? VORMSTYP = 0.8 x (2.98 – 0.98) + 0.98 = 2.58??????VORMSMAX = 0.8 x (3.08 – 0.95) + 0.95 = 2.65?
??? PDO = (5 – 2.58) x 2.58/75 = 83mW????????????????PDO = (5.25 – 2.65) x 2.65/75 = 92mW?
??? PD = 5 x 0.018 + 0.083 + 0.083 = 340mW?????????? ?PD = 5.25 x 0.024 + 0.092 + 0.092 = 402mW???? ?
?
??? 假定我們有一個良好的散熱片，可以得到接近理想的散熱，可以計算出管芯溫度：
??? TJTYP = 70 + 0.34 x 168 = 127℃???????????????????????? TJMAX = 70 + 0.4 x 168 = 137℃
??? 顯然，實際應(yīng)用中溫度不可能達到最大值137°C。但我們可以確定即使是在最差工作條件下，管芯也不會出現(xiàn)過熱。?
實際測量?
??? 對MAX11501評估板進行測量，由于它是一個雙層板，所以采用了多層電路板的熱參數(shù)。ΘJA = 136，ΘJC = 38，ΘCA = 98。電路板放置在靜態(tài)空氣中。?
設(shè)置?
-
VCC = 5.0V ?
-
每個輸出端有兩個視頻負(fù)載 ?
-
信號為525行的RGB，所有通道為帶同步的100%白電平 ?
理論計算?
??? 以下計算假定PCB的熱特性指標(biāo)與封裝定義的指標(biāo)接近。?
??? PD = 0.34W?
??? ΔTJA = PD xΘJA = 0.34 x 136 = 46，預(yù)計TJ高于環(huán)境溫度46°C。?
??? ΔTCA = PD xΘCA = 0.34 x 98 = 33，預(yù)計TC高于環(huán)境溫度46°C。?
結(jié)果?
-
靜態(tài)電流ICC：18mA ?
-
接地引腳測試得到的器件溫度：63°C ?
-
環(huán)境溫度：25°C ?
計算?
??? 下面，我們可以計算系統(tǒng)的ΘJA，從計算結(jié)果可以看出我們使用的電路板非常接近定義封裝的理想情況。
??? ΔTCA = 63 – 25 = 38°C????????????? ?ΘCA =ΔTCA / PD = 38/0.34 = 112°C/W
??? 由此可見，我們的PCB效率與理想情況相差甚微。可以針對整個系統(tǒng)使用總的ΘJA值計算管芯溫度，假定最高環(huán)境溫度為70°C。
??? TJ = TA + PD xΘJA = 70 + 0.34 x 140 = 118°C?
結(jié)論?
??? 從本文計算結(jié)果看：最差工作條件下視頻信號的RMS電壓近似為同步脈沖、峰值白電平加上偏置電壓的80%。本文演示了對評估板熱特性的測量，并將其用于實際設(shè)計，可保證我們器件的管芯溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。