中心議題：
通常，MOSFET數據手冊中提供的結點(diǎn)溫度數據只限于結到引腳和結到環(huán)境之間的熱阻。雖然可根據定制條件使用一些工具來(lái)實(shí)現更精確的熱仿真，但有時(shí)只需要時(shí)間來(lái)運行仿真就可以了。
- 根據定制條件使用一些工具來(lái)實(shí)現更精確的熱仿真
- 提出了一種根據器件的頂面溫度估算MOSFET結點(diǎn)溫度的快速而簡(jiǎn)單的方法
通常，MOSFET數據手冊中提供的結點(diǎn)溫度數據只限于結到引腳和結到環(huán)境之間的熱阻。雖然可根據定制條件使用一些工具來(lái)實(shí)現更精確的熱仿真，但有時(shí)只需要時(shí)間來(lái)運行仿真就可以了。
本文中，我們提出了一種根據器件的頂面溫度估算MOSFET結點(diǎn)溫度的快速而簡(jiǎn)單的方法，這易于利用一臺探針臺（bench probe）予以確定。為了開(kāi)發(fā)一個(gè)利用頂面溫度計算出結點(diǎn)溫度的公式，我們利用Vishay Siliconix基于網(wǎng)絡(luò )的ThermaSim™ 在不同條件下運行了一組對流行MOSFET封裝類(lèi)型的實(shí)驗。為了得到與數據手冊更好的一致性，應該在1英寸×1英寸的正方形FR-4板上安裝MOSFET。
Si4800BDY：SO-8單片芯壓焊線(xiàn)封裝
我們的第一個(gè)實(shí)驗是在SO-8單片芯壓焊線(xiàn)封裝上進(jìn)行的。如圖1所示，在功耗為0.5 W時(shí)，Si4800BDY可保持+80.95℃的片芯溫度，頂面溫度為+77℃。圖2接著(zhù)顯示了頂面的溫升和高達1 W的片芯功耗。
圖2 - Si4800BDY的頂面和片芯溫升
表1顯示了0.2 W至1 W功耗范圍的仿真結果。Tdie rise = Tdie – 25，Ttop rise =Ttop – 25，K=[Tdie rise]/[Ttop rise]。系數K與功耗一致，是由K平均得到的，我們得到的Ttop rise與Tdie rise的比率為1.074。
表1 - Si4800BDY的ThermaSim結果
頂面和芯片之間的溫差與功耗成正比。你可以通過(guò)[Tdie rise] = 1.074* [Ttop rise]確定另一個(gè)接近線(xiàn)（approximation line）。如圖3所示，這個(gè)線(xiàn)性接近線(xiàn)很好地描述了真實(shí)數據，對于這個(gè)具體的元件來(lái)說(shuō)，片芯溫升大約高于頂面溫度7.4 %。
圖3 - Si4800BDY的頂面溫升與片芯溫升之間的關(guān)系[page]
Si4686DY：?jiǎn)蜸O-8無(wú)壓焊線(xiàn)（BWL）封裝
與壓焊線(xiàn)封裝相比，無(wú)壓焊線(xiàn)（BWL）封裝在散熱方面有某種不同之處，因為片芯和源引腳之間的一個(gè)線(xiàn)夾（clip）可以給電路板帶來(lái)另一種熱通量。圖4所示為采用Si4686DY作為樣片的這種仿真的結果。
圖4 - Si4686DY的頂面溫升與片芯溫升之間的關(guān)系
該圖顯示了與Si4800BDY仿真類(lèi)似的結果。不過(guò)，這個(gè)元件的頂面到片芯之間的溫差為6.6 %。
Si7336ADP：?jiǎn)蜳owerPAK SO-8 BWL封裝
Ttop rise與Tdie rise的比率也會(huì )受到封裝成型厚度的影響。為了證明這一點(diǎn)，我們下一個(gè)實(shí)驗是一個(gè)采用BWL封裝的PowerPAK SO-8封裝。圖5所示為Si7336ADP的頂面溫升與片芯溫升之間的關(guān)系。
圖5 - Si7336ADP的頂面溫升與片芯溫升之間的關(guān)系
由于采用了一種比標準SO-8更加纖巧的封裝，PowerPAK SO-8顯示出了更加接近片芯溫度的頂面溫度。它顯示了與先前的仿真類(lèi)似的結果；不過(guò)，這個(gè)元件的頂面到片芯之間的溫差僅為1.4 %，標準SO-8封裝則為6.6 %或7.4 %。
為了進(jìn)一步探索成型厚度與Ttop rise到Tdie rise比率之間的關(guān)系，我們也對其他封裝類(lèi)型運行了這個(gè)熱仿真，如圖表2所示。
結果向我們表明，成型厚度與系數之間存在一種明確的相互關(guān)系。在所有封裝中，D2PAK的系數最大，因為它的成型最厚。第二大是DPAK，它的成型第二厚。PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212顯示出較小的數字，因為其成型更加纖巧。
結論：從上述實(shí)驗當中，我們確定了片芯溫升與頂面溫升成正比：
[Tdie rise] = k * [Ttop rise]。
系數K取決于封裝，D2PAK大約為1.18，而DPAK則為1.08。對于PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212來(lái)說(shuō)，系數大約為1.02。對于其他封裝，該系數從1.03到1.07不等，取決于片芯尺寸或封裝構造。ThermaSim仿真顯示，片芯溫度要比我們期待的頂面溫度更加接近，證明這是一種迅速而精確地估算結點(diǎn)溫度的方便的方法。
