【導讀】在此之前我們已經(jīng)了解了在功耗恒定時(shí)估算TJ的計算示例，本文將介紹在功耗瞬時(shí)增加的條件下的計算方法和示例。
電子設備中半導體元器件的熱設計
本文的關(guān)鍵要點(diǎn)
?當預計會(huì )出現瞬時(shí)功耗增加的情況時(shí)，需要計算出瞬態(tài)峰值TJ。
?在求瞬態(tài)溫升時(shí)，熱阻值使用瞬態(tài)熱阻值。
?需要確認瞬態(tài)峰值TJ是否超過(guò)TJ MAX。
在此之前我們已經(jīng)了解了在功耗恒定時(shí)估算TJ的計算示例，本文將介紹在功耗瞬時(shí)增加的條件下的計算方法和示例。
瞬時(shí)波動(dòng)示例
IC還使用與之前相同的LDO線(xiàn)性穩壓器BD450M2EFJ-C。條件要考慮輸入電壓VIN如圖1所示產(chǎn)生瞬時(shí)波動(dòng)的情況。穩態(tài)輸入電壓為13.5V，這里是一個(gè)在60s的周期內、從13.5V變?yōu)?5V達3s時(shí)長(cháng)的例子。
當輸入電壓發(fā)生瞬時(shí)波動(dòng)時(shí)，最終，功耗也會(huì )發(fā)生瞬時(shí)波動(dòng)，因此可以想象TJ也會(huì )隨之波動(dòng)。在這種情況下，需要使用瞬態(tài)熱阻計算出瞬態(tài)溫升，將瞬態(tài)溫升與穩態(tài)TJ相加來(lái)計算TJ。
什么是瞬態(tài)熱阻？
嚴格來(lái)講，TJ通常從通電的時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始上升（發(fā)熱），經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后趨于穩定。正常的熱阻θJA是在穩定狀態(tài)下的發(fā)熱量除以功耗而獲得的值。而瞬態(tài)熱阻則具有時(shí)間參數。在圖1的示例中，瞬態(tài)熱阻是VIN從13.5V變?yōu)?5V并經(jīng)過(guò)3s時(shí)所產(chǎn)生的熱量除以波動(dòng)的功耗而獲得的值。
圖2為瞬態(tài)熱阻示例。從圖中可以看出，瞬態(tài)熱阻ZTH隨著(zhù)瞬態(tài)時(shí)間（脈沖寬度）的增加而增加，大約300s后熱阻值趨于穩定。
瞬態(tài)熱阻通常會(huì )以曲線(xiàn)圖的方式提供，可以根據圖中的瞬態(tài)時(shí)間（脈沖寬度）來(lái)讀取瞬態(tài)熱阻值。從該圖中可以讀取到3s/周期（Duty）5%情況下的瞬態(tài)熱阻ZTH（黃綠線(xiàn)）為21℃/W。此外，40℃/W的穩態(tài)值是作為封裝的θJA值提供的。
使用瞬態(tài)熱阻值進(jìn)行TJ估算時(shí)的示例
如前所述，TJ是將使用瞬態(tài)熱阻計算得到的瞬態(tài)溫升與穩態(tài)TJ相加求得的。計算步驟是：先計算穩態(tài)和瞬態(tài)功耗，接下來(lái)使用它們的熱阻計算各自的溫升（發(fā)熱量），然后，將穩態(tài)和瞬態(tài)時(shí)的發(fā)熱量之和加上TA，得到瞬態(tài)TJ。下面我們來(lái)具體計算一下。
1 計算穩態(tài)VIN＝13.5V、VOUT＝5.0V、IOUT＝90mA、ICC＝40μA（TYP）時(shí)的功耗。
2 計算瞬態(tài)VIN＝35V時(shí)的功耗P2。請記住，P2是包括穩態(tài)P1＝0.77W在內的值。
3 使用上述穩態(tài)熱阻θJA＝40℃/W和3s/Duty 5%的瞬態(tài)熱阻ZTH(3s)＝21℃/W，分別計算出它們的TJ的溫升。瞬態(tài)期間的溫升是通過(guò)從P2中減去常溫下的功耗P1得到的功耗值計算出來(lái)的。
兩種溫升相加，求得整體的溫升。
4 最后，通過(guò)加上瞬態(tài)環(huán)境溫度TA來(lái)求得TJA為65℃。
5 這樣，我們就獲得了13.5V的VIN在60s的周期內瞬時(shí)上升到35V達3s時(shí)長(cháng)的條件下的最大TJ。圖3是VIN瞬態(tài)變化與溫升關(guān)系示意圖。由于圖2所示的瞬態(tài)熱阻特性具有時(shí)間參數，因此溫升波形是VIN的積分波形。
此前的TJ計算是為了掌握功耗瞬時(shí)增加時(shí)的TJ峰值。還有一種不同的方法，是通過(guò)平均功耗來(lái)估算TJ。下面是在上述相同條件下的計算示例。熱阻值使用穩態(tài)熱阻θJA＝40℃/W。
在前面的計算中，瞬態(tài)期間的溫升為71.3℃，因此我們可以看出平均功耗的計算方法在這種情況下是不適用的。
在熱計算中最重要的確認要點(diǎn)是TJ是否超過(guò)了絕對最大額定值TJ MAX。絕對最大額定值是即使一瞬間也不能超過(guò)的值，因此有必要知道瞬態(tài)期間的峰值溫度。
當瞬態(tài)時(shí)間足夠長(cháng)時(shí)（暫且不論這是否稱(chēng)為“瞬態(tài)”），例如，在圖2的示例中，當脈沖寬度超過(guò)300s時(shí)，瞬態(tài)熱阻=穩態(tài)熱阻，因此只要通過(guò)穩態(tài)熱阻求最大功耗時(shí)的TJ，并確認該值小于TJ MAX即可。
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