对电源应用的集成电路进行一般热分析

热分析是材料科学的一个分支，它研究材料随温度变化的特性。所有集成电路在受到电压时都会产生热量。因此，为了将器件的结温保持在最大允许值以下，应提供通过封装的热流估计。

介绍

热管理在封装选择过程中至关重要，以确保产品的高可靠性。良好的热评估需要结合分析计算、经验分析和热建模。问题在于确定特定集成电路在高温下是否可靠。如果不遵循特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在直流模式操作中，一些参数如热阻 (θ JA ) 和结温 (θ JC)。作为热导倒数的热阻测量物体或材料抵抗热流的温差。另一方面，结温是双极晶体管、MOSFET 和整流器的半导体热分析中的一个重要因素。目前，该术语用于所有电源设备，包括 IGBT 设备。在 AC 模式下或 LED 由使用 PWM 调制的 MOSFET 驱动的情况下，有必要定义瞬态热数据。我们应该回答的问题是：芯片在遇到热问题之前可以在一定的功率水平下运行多长时间?我们将在接下来的段落中尝试确定与功耗相关的热方程，以便可以将芯片的结温预测为时间的函数。这种方法将用于任何类型的芯片。基于这些方程，将定义一个 RC 等效电路模型(使用 SPICE 轻松模拟)，代表 IC 的瞬态热特性。

热动力学

温度与时间的关系源自两个主要定律：牛顿冷却定律和能量守恒定律。

其中T B是体温，T A是环境温度，K A是比例常数。

其中 P 是施加于身体的功率，m 是质量，c 是比容量。牛顿定律指出，身体热量损失的速率与身体和环境之间的温差成正比。另一方面，能量守恒定律指出能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式改变为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体。如上所述，热阻是要分析的第一个因素：它可以在 IC 数据表中轻松找到。计算应在热平衡条件下进行。

热模型

此时，应定义物理数学模型，以便可以应用上述方程。显示了安装在 PCB 上的芯片的示意图布局：涉及不同的材料，包括环氧树脂、芯片和封装。我们将要分析的模型是基于热流的方向：热量从外部源流向模具(当主热源在外部时)和从模具热流向环境(当主热源位于外部时)。模具)。

在第一种情况下，我们将求解第二段中计算的关于 T B的微分方程 (dT B /dt) 。当热源位于外部时，前面的公式可用于估算芯片温度(在封装和芯片级)。一个例子是靠近大电流芯片的 MOSFET，它会散发大量热量。我们现在可以考虑另一种情况，在这种情况下，主体在芯片上产生热量并通过环氧树脂和封装将热量散发到环境中. 为了求解这个系统，有必要为所有三个物体定义微分方程。

其中 T Bi (i = 1、2 和 3)是主体(芯片、环氧树脂和封装)的瞬时温度。术语 P 表示从一个物体转移到另一个物体的功率(例如，P 12 是从物体 1 转移到物体 2 的功率)，而 P G 是源功率。考虑单个物体的幂 P 的表达式并应用拉普拉斯变换，我们得到每个物体的以下三个微分方程。

其中 T i 变量是积分常数，m i 系数是 k i的函数， θ ij是从物体 i 到物体 j 的热阻。为了解决上面提到的方程，我们需要知道所有的参数。为了避免繁琐的计算，我们可以尝试将模型实现为一个简单的 RC 网络，以便使用电路分析软件 (Spice) 通过确定相关参数来求解微分方程。

主要思想是用无源 RC 电路对上一段中获得的微分方程进行建模，以模拟芯片上产生的功率。电容器上的电压代表芯片 (C 1 )、环氧树脂 (C 2 ) 和封装 (C 3 ) 的初始温度。V A代表环境温度，而 I S(进入电容器 C 1的电流)是芯片上产生的功率。 用 T B1代替 V C1 ，用 T B2代替V C2 ， 用 T B3代替V C3 ， 用 P G代替 I S，我们得到以下微分方程：

模具温度测量

可以使用不同的技术来执行管芯温度测量。其中之一利用了 ESD 二极管的正向压降。为确保测量精度在允许范围内，所选的 ESD 二极管不应具有较大的寄生电阻。此外，建议将二极管放置在非常靠近芯片最热点的位置。如果您选择使用 FET 的 R ds (on) 作为温度指示器进行操作，则必须确保 FET 在测量点处于退出模式。R ds (on)，即导通电阻，表示晶体管处于导通状态时的内阻(V GS= 0)。ESD二极管连接在芯片的引脚和电源电压之间，具有直接极化。由于从测量中我们获得了二极管上的电压，因此我们还必须考虑二极管上的电压与温度之间的关系。

RC网络测量

MAX16828/MAX16815 LED 驱动器将用于测试刚刚描述的模型。这些芯片可以在高达 40V 的电压下工作，只需要几个外部元件。MAX16828 提供约 200 mA 的最大 LED 电流。这两款驱动器都用于汽车应用，例如侧灯、外部灯、背光和指示灯。为了获得裸片温度的直接指示，测量连接在 DIM 和 IN 引脚之间的内部 ESD 二极管的直流电压。吸收电流约为100μA，产生约2mV/K的电压变化。

配置确保读取和估计温度，误差约为 ± 10 mV。为了计算 K A 和 θ JA芯片应该用热风枪加热。可以通过测量二极管电压来监测管芯温度。

结论

使用全芯片热模型分析裸片温度对于发现和避免潜在的热风险非常重要。使用 Maxim 驱动器获得的实验结果很好地表明了该模型。使用 Spice 可以轻松模拟 RC 网络，以便轻松指示 IC 的瞬态温度。该模型适用于任何芯片，并允许定义操作模式以避免过热。