从器件的结温说产品的可靠性
eeskill 2022-11-30

工程师在设计一款产品时用了一颗9A的MOS管,量产后发现坏品率偏高,经重新计算后,换成5A的MOS管,问题就解决。为什么用电流裕量更小了,却能提高可靠性呢?本文将从器件的结温角度跟你说说产品的可靠性。

工程师在设计的过程中非常注意元器件性能上的裕量,却很容易忽视热耗散设计,案例分析我们放到最后说,为了帮助理解,我们先引入一个概念:

其中Tc为芯片的外壳温度,PD为芯片在该环境中的耗散功率,Tj表示芯片的结点温度,目前大多数芯片的结点温度为150℃,Rjc表示芯片内部至外壳的热阻,Rcs表示外壳至散热片的热阻,Rsa表示散热片到空气的热阻,一般功率器件用Rjc进行计算即可。

图1功率器件热阻分布示意图

举个例子来说,大家常用的S8050在25℃(Tc)的最大耗散功率是0.625W,额定电流为0.5A,最高结点温度为150℃,此代入公式有:

从上面公式可以推算出Rja为200℃/W(Rja表示结点到空气的热阻)。假设芯片壳温(Tc)为55℃,热耗散功率有0.5W时,此刻芯片结点温度为:Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃,已经超过了最高结温150℃了。故需要降额使用,然而降额曲线在数据手册中并未标注,所以小编只能自行计算。

在25℃(Tc)时有公式:

恒成立。

把线性降额因子设为F,则在任意温度时有:

代入已知参数得到F>5mW/℃,一般为了满足裕量要求,降额因子往往取得更大才能满足可靠性设计要求。

由于小晶体管和芯片是不带散热器的,这时就要考虑壳体到空气之间的热阻。一般数据手册会给出Rja(结到环境之间的热阻)。那么三极管S8050,其最大功率0.625W是在其壳温25℃时取得的。倘若环境温度刚好为25℃,芯片自身又要消耗0.625W的功率,那么为了满足结点不超过150℃,唯一的办法就是让其得到足够好的散热,如下所示。

图2场效应管散热片

好了,我们把问题转回到最初的场效应管为什么需要从9A变成5A性能更可靠的问题上来,场效应管的损耗通常来自导通损耗与开关损耗两种,但在高频小电流条件下以开关损耗为主,由于9A的场效应管在工艺上决定了其栅极电容较大,需要较强的驱动能力,在驱动能力不足的情况下导致其开关损耗急剧上升,特别在高温情况下由于热耗散不足,导致结点温度超标引发失效。如果在满足设计裕量的条件下换成额定电流稍小的场管以后,由于两种场管在导通内阻上并不会差距太大,且导通损耗在高频条件下相比开关损耗来说几乎可以忽略不计,这样一来5A的场管驱动起来就会变得容易很多,开关损耗降下去了,使用5A场管在同样的温度环境下结点温度降低在可控范围,自然就不会再出现热耗散引起的失效了,当然遇到这种情况增强驱动能力也是一个很好的办法。

图3开关器件损耗分析示意图

通常大多数芯片的结点温度是150℃,只要把结点温度控制在这个范围内并保持一定裕量,从热耗散的设计角度来说都是没有问题的,如果下次你找遍了芯片的器件性能指标均发现有一定裕量却无法找到失效原因时,不妨从热耗散的角度来发现问题,兴许能帮上大忙。

电源模块在实际应用中,通常面临着高温环境,因此在在设计电源时,本文只通过场效应管的结温来开题,真正的电源产品可靠性需要考虑所有器件的结温与可靠性,如果选用成品电源,不管是模块电源、普通开关电源、电源适配器等,这部分的工作一般都由电源设计厂家完成。

 

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