LED電源驅(qū)動(dòng)電路熱阻詳細(xì)計(jì)算方法

　　設(shè)計(jì)電源管理電路時(shí),在考察散熱問題之前對(duì)熱傳遞進(jìn)行基本了解是很有幫助的。首先,熱量是一種能量,會(huì)由于兩個(gè)系統(tǒng)之間存在溫差而進(jìn)行傳輸。熱傳遞通過三種方式進(jìn)行：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。當(dāng)高溫器件接觸到低溫器件時(shí),會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)。高振幅的高溫原子與低溫材料的原子碰撞,從而增加低溫材料的動(dòng)能。這種動(dòng)能的增加導(dǎo)致高溫材料的溫度上升和低溫材料的溫度下降。

　　在對(duì)流中,熱傳遞發(fā)生在器件周圍的空氣中。在自然對(duì)流中,物體加熱周圍的空氣,空氣受熱時(shí)膨脹形成真空,導(dǎo)致冷空氣取代熱空氣。因此形成循環(huán)氣流,不斷將器件的熱量傳輸給周圍的空氣。另一種形式是強(qiáng)制對(duì)流,例如風(fēng)扇主動(dòng)吹冷空氣,從而加速取代暖空氣。當(dāng)物體將電磁波(熱輻射)發(fā)送至周圍環(huán)境時(shí)就會(huì)產(chǎn)生輻射。輻射熱量無需介質(zhì)傳遞(熱量可以通過真空輻射)。在PCB中,熱傳遞的主要方法是傳導(dǎo),其次是對(duì)流。

　　下面的等式給出了以傳導(dǎo)方式熱傳遞的數(shù)學(xué)模型：

　　其中H是傳熱速率(單位為J/s),K為材料的導(dǎo)熱系數(shù),A為面積,(TH–TL)為溫差,d為距離。當(dāng)界面之間的接觸面積增大、溫差增大或界面之間的距離減少時(shí),熱量傳導(dǎo)速度加快?？梢詫醾鬟f模擬成一個(gè)電路,方法是將能源(熱源或前面等式中的H)等同于電流源,高溫器件與低溫器件之間的溫差等同于電壓降,(K×A/d)部分作為導(dǎo)熱系數(shù),或?qū)⒌箶?shù)(EQ2)等同于熱阻(單位為℃/W)。通常熱阻表示為符號(hào)θ或Rθ或只表示為RA-B,其中A和B是發(fā)生傳熱的兩個(gè)器件。使用電路模擬重寫熱傳遞速率等式,得到以下結(jié)果：

　　該模擬可以深入進(jìn)行,以描述器件的另一個(gè)熱屬性,稱之為熱容。正如將熱阻模擬為電阻,可以將熱容(CT,單位為J/℃)模擬為電容。將熱容與熱阻并聯(lián)獲得熱阻抗(ZT)。圖1所示為傳導(dǎo)傳熱的簡(jiǎn)化RC模型。能源被模型化為電流源,熱阻抗被模型化為CT與RT并聯(lián)。

　　圖 1. 簡(jiǎn)化的熱阻抗模型。

　　在電路中,每個(gè)熱界面都有熱阻抗。熱阻抗因材料、幾何形狀、大小和方向的不同而各異。系統(tǒng)(或電路)的熱阻抗對(duì)環(huán)境溫度來說有一個(gè)總熱阻抗,它可以分解為電路中每個(gè)元件的熱阻抗的并聯(lián)和串聯(lián)的組合。例如,在半導(dǎo)體 器件中,晶粒(也稱作結(jié))與周圍空氣(稱作熱阻抗)之間的總熱阻抗,即由結(jié)到環(huán)境之間的熱阻抗(ZJ-A),將是結(jié)構(gòu)中每個(gè)單獨(dú)材料的單個(gè)熱阻抗的總和。

　　考慮到 在PCB上安裝的分立MOSFET。穩(wěn)態(tài)熱阻抗(或熱阻RJ-A)是結(jié)到器件外殼的熱阻(RJ-C)、器件外殼到散熱器的熱阻(RC-S)與散熱器到空氣的熱阻(RS-A)之和。(RJ-A=RJ-C+RC-S+RS-A)。此外,還可以有并行的散熱路徑,例如從MOSFET結(jié)經(jīng)過器件外殼到PCB,再從PCB到環(huán)境溫度。

　　通常情況下,半導(dǎo)體制造商會(huì)給出結(jié)點(diǎn)到器件外殼的熱阻。另一方面,RC-S和RS-A主要取決于散熱器和PCB的屬性。許多因素會(huì)影響熱阻RC-A或RC-S,包括PCB的層數(shù)、到輔助面的過孔數(shù)、與其他器件的接近程度以及氣流速率。通常RJ-A會(huì)列在器件數(shù)據(jù)表中,但該數(shù)字是在特定測(cè)試 板條件下得出的,因此僅適用于在相同條件下測(cè)量 的器件之間的比較。

　　熱阻(RJA)是電子元器件的重要參數(shù),因?yàn)樗瞧骷岬闹笜?biāo)(基于環(huán)境條件和 PCB布板)。換言之,RJ-A可以幫助我們根據(jù)環(huán)境條件和功耗估算工作結(jié)溫。

　　開關(guān)電源中的散熱

　　電源管理電路中散熱考慮的典型示例,可以參考圖2所示美國國家半導(dǎo)體提供的LM3554電路。該器件是一個(gè)感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器,面向蜂窩電話應(yīng)用中的高功率 閃光LED 。LM3554是一個(gè)很好的測(cè)試工具,因?yàn)樗且粋€(gè)小型器件(1.6mm ( 1.6mm ( 0.6mm),而且可以提供高達(dá)6W的輸出功率((1.2A閃光電 流在5V LED中)。即使提供85%左右的效率,相對(duì)較大的輸出功率能力和微小的16-bump μSMD封裝,該器件都需要承受較高的工作溫度。

　　圖 2. 美國國家半導(dǎo)體的 LM3554 閃光 LED 驅(qū)動(dòng) 器測(cè)試電路。

　　LM3554中的初始散熱效應(yīng)的主要表現(xiàn)是器件開關(guān) 的導(dǎo)通電阻增加和器件閾值的改變。在溫度過熱的極端情況下,該器件可能觸及熱關(guān)機(jī)閾值而導(dǎo)致關(guān)閉。知道準(zhǔn)確的RJ-A,可以幫助確定器件在功率運(yùn)行期間的結(jié)溫,并確保電路按照預(yù)期可靠地完成應(yīng)用的要求。

　　在可能的情況下,該器件能夠擁有3.6V的輸入電壓、3.6V的LED電壓和1.2A的LED電流。在這種情況下,轉(zhuǎn)換器將輸出電壓升至高于VIN 300mV。這為器件的兩個(gè)并聯(lián)電流源(負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)LED電流)提供了300mV的凈電壓。

　　器件的總功耗將為同步PFET、NFET和兩個(gè)電流源的功耗之和。PFET和NFET的功耗在電阻元件上,因此必須使用RMS電流來準(zhǔn)確估算功耗。此電流就是RMS電感 電流乘以開關(guān)周期(NFET和PFET的導(dǎo)通時(shí)間)百分比。如果知道轉(zhuǎn)換器效率,可以用下面的等式算出占空比：

　　針對(duì)我們的情況,VOUT=VLED+300mV,且效率大約為90%。這可以算出PFET占空比(1-D)為83%,NFET占空比為17%。RMS電感電流等式為：

　　其中ΔIL為峰到峰值電感電流,在我們的示例中大約為140mA,ILDC是通過ILED/(1-D)算出的平均電感電流。

　　開關(guān)中的總功耗變?yōu)镹FET(RDS_ON=125mΩ) 的45mW加 PFET(RDS_ON=152mΩ)的265mW。此外,電流源的功耗為300mV×1.2A=360mW,使得內(nèi)部總功耗達(dá)到668mW。數(shù)據(jù)表中給出的RJ-A為60℃/W,且來自4層JEDEC測(cè)試板(詳見JESD 51-7)。使用該RJ-A時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)溫在TA=50℃時(shí)為83.4℃。這對(duì)器件將不構(gòu)成問題,因?yàn)樗陀?50℃的熱關(guān)機(jī)閾值,且低于LM3554數(shù)據(jù)表中指定的最大工作結(jié)溫125℃。

　　在另一種情況下,可以將 LM3554設(shè)置為在同一閃光脈沖期間恒定輸出+5V。300mV電流源凈電壓現(xiàn)在變?yōu)?V–3.6V=1.4V,導(dǎo)致電流源功耗為1.68W。假設(shè)器件在以1.2A電流提供5V電壓時(shí)效率仍為90%,則占空比為35.2%,從而使直流電感電流1.85A具有288mA的ΔIL。NFET功耗現(xiàn)在為151mW,PFET功耗為338mW?？偟膬?nèi)部功耗2.169W,在TA=50℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致高達(dá)180℃的核心溫度,這比熱關(guān)機(jī)閾值高30℃,且比最大工作結(jié)溫高55℃。

　　在現(xiàn)實(shí)中,該設(shè)備不會(huì)安裝在4LJEDEC測(cè)試板上,而會(huì)安裝在具有不同布線面的PCB上,它靠近消耗功率的其他元件,且到低層的過孔數(shù)也各不相同。所有這些應(yīng)用變量,加之許多其他因素都會(huì)顯著影響RJ-A,從而降低結(jié)溫計(jì)算的準(zhǔn)確度。

　　測(cè)量熱阻抗(RJ-A和CJ-A)

　　我們需要的是代表實(shí)際電路的準(zhǔn)確RJ-A。測(cè)量RJ-A有多種方法,一種方法是使用熱關(guān)機(jī)閾值,將其設(shè)置為+150℃。要用這種方法測(cè)量RJ-A,我們可以讓LM3554在已知功耗(PDISS)下工作,然后慢慢提高環(huán)境溫度直到器件關(guān)機(jī)為止。該器件具有一個(gè)內(nèi)部標(biāo)志,可以通過I2C兼容接口 設(shè)置,在觸及熱關(guān)機(jī)閾值時(shí)會(huì)返回‘1’。使用這種方法獲得的RJ-A將為：

　　另一種方法是使用器件中的一個(gè)ESD保護(hù)二極管,并測(cè)量其VF與溫度。相較而言這種方法稍微復(fù)雜一些,但得出的結(jié)果將更準(zhǔn)確,這是因?yàn)閂F可以在整個(gè)溫度范圍下進(jìn)行表征。多數(shù)半導(dǎo)體器件的每個(gè)引腳上都有ESD二極管,其陽極連接至GND,陰極連接至各自的引腳。

　　為了測(cè)試 LM3554,我們可以查看LEDI/NTC 引腳,并從該引腳拉出小電流( 10mA),同時(shí)讓溫度變化。每個(gè)引腳的最大絕對(duì)額定值最小為-0.3V,但那是由于ESD二極管在最高結(jié)溫 +150℃時(shí)的VF而引致的。如果將電流限制為小于10mA,我們可以在不損害器件和增加任何自熱的情況下查