利用熱分析預測IC的瞬態(tài)效應并避免過(guò)熱

　　我們可利用以上得出的方程式和線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器(例如MAX16828/MAX16815)驗證RC仿真模型的實(shí)際應用。這些芯片工作在最高40V電壓，幾乎不需要外部元件，MAX16828能夠為一串LED供電，最大電流可達200mA (圖6)。MAX16815與MAX16828引腳兼容，功能相似，但最大輸出電流可達100mA，而非200mA。兩款LED驅動(dòng)器都適合于汽車(chē)應用，例如，用于側燈、汽車(chē)尾燈、背光和指示燈。如果內部MOSFET需要承受較大電流，而且具有較大壓差時(shí)，MAX16828將需要耗散相當可觀(guān)的熱量(LED串的正向電壓較低時(shí)，MOSFET會(huì )發(fā)生這種情況)。RSENSE兩端的電壓調節在200mV ±3.5%，該電阻用于設置LED電流。芯片的DIM輸入為L(cháng)ED提供較寬范圍的PWM調光，因為它能夠承受高壓，可以直接將其連接到IN引腳。為了直接顯示管芯溫度，我們對連接在DIM和IN引腳之間內部ESD二極管的正向偏壓進(jìn)行測量。該二極管偏置在大約100μA，其正向電壓變化率為2mV/°K (這點(diǎn)可通過(guò)溫控爐對器件加熱進(jìn)行驗證)，實(shí)驗設置如圖7所示。5V電源和56kΩ電阻提供100μA偏置電流，為ESD二極管提供正向偏置。驅動(dòng)器設置為可向LED提供200mA的輸出電流。

圖6. MAX16815/MAX16828 HBLED驅動(dòng)器的典型應用電路。

圖7. 圖中所示測試裝置采用片上ESD二極管測量管芯的瞬時(shí)溫度。*EP表示裸焊盤(pán)。

　　這種狀態(tài)下，元件承載大量電流，ESD二極管測量處于測量通路。因此，由于焊接線(xiàn)和內部金屬電阻的影響，會(huì )產(chǎn)生一定誤差。根據內部布局和焊接線(xiàn)長(cháng)度計算，估計最差情況下的寄生電阻為50mΩ。200mA下，該寄生電阻會(huì )在二極管讀數上產(chǎn)生大約±10mV (最大)的誤差，對應的溫度測量精度誤差大于±5°C。此外，管芯ESD二極管放置在靠近片上功率MOSFET和熱保護電路處。這種配置可使二極管更準確地表示該區域的溫度。

　　系統定義1

　　接下來(lái)的部分介紹如何利用測試裝置，采集代表瞬時(shí)熱特性的二極管電壓，用于上述式7和式21的系統定義方程式。為了計算kA和θJA (代入式11)，采用熱風(fēng)槍加熱芯片。因為我們并不希望芯片內部產(chǎn)生熱量，所以將芯片斷電。利用熱風(fēng)槍加熱元件會(huì )使封裝、管芯的溫度上升?？衫檬静ㄆ鳒y量二極管的電壓，以監測管芯的溫度變化(圖 8)。

　　當芯片加熱時(shí)，二極管電壓按照指數規律迅速下降，與公式預測結果一致。接近曲線(xiàn)中間位置時(shí)，關(guān)閉熱槍?zhuān)狗庋b和管芯開(kāi)始冷卻。二極管電壓又按照指數規律上升。我們并不確切知道有多少熱量從熱風(fēng)槍傳遞到芯片。因此，為了消除該未知數，我們首先將式28調整為僅擬合曲線(xiàn)(圖8)的上升部分(冷卻)。這種曲線(xiàn)擬合使我們能夠估算kA的最佳值。冷卻期間沒(méi)有熱功率傳遞至封裝，封裝僅僅進(jìn)行冷卻，P = 0。因此，式28可簡(jiǎn)化為：

(式34)

　　我們已知VDA (室溫下的初始測量值為643mV)和VDi (t = 0時(shí)的參考讀數)值。為了確定KA，我們必須調整方程式，使其包括上升曲線(xiàn)的一對讀數，將得到kA = -0.0175。圖9所示為采用上述kA值時(shí)的讀數(二極管電壓?jiǎn)挝粸閙V，與以秒為單位的時(shí)間的對應關(guān)系)和式34的波形。

圖8. 該二極管電壓瞬態(tài)值包括表示外部熱風(fēng)槍加熱(下降曲線(xiàn))和移開(kāi)熱風(fēng)槍后冷卻(上升曲線(xiàn))的指數曲線(xiàn)。

圖9. 式34，擬合至一對二極管電壓測量值，非常接近芯片經(jīng)過(guò)熱風(fēng)槍加熱后再冷卻的二極管測量值。

正如我們在圖9中看到的那樣，式34與kA = -0.0175時(shí)的測量數據非常接近。為了驗證我們公式的正確性，我們嘗試利用針對kA測定的值擬合公式28的下降曲線(xiàn)，方程式精確擬合(圖10)。因此，我們看到針對系統定義1所討論系統的式34與實(shí)驗數據非常接近。

　　系統定義2

　　驗證系統2的式30、式31和式32更加困難。必須在管芯產(chǎn)生熱量，利用二極管正向電壓測量管芯溫度，并將溫度值與提出的RC網(wǎng)絡(luò )的C1電壓仿真數據進(jìn)行擬合。這項工作可利用MATLAB編程實(shí)現。在已知整個(gè)芯片初始溫度的情況下，記錄不同時(shí)間的瞬態(tài)熱特性非常重要。按照這種方式，我們還可以求解RC網(wǎng)絡(luò )的初始電容電壓。利用相同的測試裝置(參見(jiàn)圖7)，接通電流通道并在示波器上采集二極管電壓(圖11)。