芯片結(jié)溫(Tj):
結(jié)溫(Junction Temperature)是芯片中開關(guān)MOS管等器件的實際工作溫度。芯片內(nèi)部是由于一堆材料做成的各種微小的元器件,有微小的MOS,二極管,集成電阻,電容等等,它們在經(jīng)過電流時,也會發(fā)熱,尤其在一些過大電流的功率芯片的應(yīng)用中,結(jié)溫就成了一個必須考慮的參數(shù),超過了就會使這些內(nèi)部元器件損壞,由于這些內(nèi)部的結(jié)構(gòu)器件距離芯片外部還有封裝隔離,因此它通常高于外殼溫度(Case Temperature)高。也就是會高于芯片標(biāo)定的工作溫度。
結(jié)溫產(chǎn)生機(jī)制
結(jié)溫主要產(chǎn)生在PN結(jié)區(qū)域。
從PN結(jié)制造工藝上,核心原理是根據(jù)雜質(zhì)補(bǔ)償,通過摻雜獲得,如下圖, P-type 摻雜和 N-type 摻雜接觸后,中間形成一個耗盡區(qū)(或者稱為空間電荷區(qū),如下圖右上);兩個的交接線周圍形成一個PN結(jié)(如下圖左上)。
首先,電子空穴的復(fù)合也是一個發(fā)熱是結(jié)溫的主要熱源;復(fù)合遵循能量守恒原則,電子和空穴復(fù)合時應(yīng)釋放一定的能量,最后在內(nèi)部都轉(zhuǎn)換為熱能。
首先,電子空穴的復(fù)合也是一個發(fā)熱是結(jié)溫的主要熱源;復(fù)合遵循能量守恒原則,電子和空穴復(fù)合時應(yīng)釋放一定的能量,最后在內(nèi)部都轉(zhuǎn)換為熱能。
復(fù)合頻率越高產(chǎn)生熱越高,隨之會加速載流子速率μ,電場E相對不變,復(fù)合率和結(jié)溫形成閉合正反饋,導(dǎo)致結(jié)溫持續(xù)升高。
其次,PN結(jié)的工藝也不可能極端完美,電子/空穴的的注入效率達(dá)不到100%, 即在工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷(Hole)外,N區(qū)也會向P區(qū)注入電荷(Electron);同樣也會導(dǎo)致結(jié)溫升高。
最后,器件兩端的陰極Cathode,陰極Athode 2個的歐姆接觸(ohmic contact)會產(chǎn)生熱量,兩端形成熱屏障,阻礙內(nèi)部的熱量更難及時通過熱傳導(dǎo)方式消散,同樣會導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)溫升高。
所以如果希望保證器件工作正常,務(wù)必保證芯片結(jié)溫在可承受范圍內(nèi)。
芯片結(jié)溫計算
熱阻參數(shù)介紹
RθJA 值越大,表示此 封裝的散熱效率越低,而值越小,表示器件散熱效率越高。 封裝尺寸越小,RθJA 值通常越大。如上圖DCK(SCK70)熱阻307.6°C/W,意味著芯片每消耗1W,芯片溫度就會升高 307.6°C 。
表中建議的芯片工作結(jié)溫介于 -55°C 至 150°C 之間。
結(jié)溫計算公式:
其中 TJ 為結(jié)溫,TA 為環(huán)境溫度,RθJA 為熱阻(取自數(shù)據(jù)表),PD 為功耗,Iground 為接地電流(取自數(shù)據(jù)表)。
下面給出一個簡單示例,使用 TPS732 將 5.5V 電壓下調(diào)至 3V,輸出電流為 250mA,采用 SOT-23 和 SOT-223 兩種封裝。
PD=[(5.5V-3V) x 250mA] + (5.5V x 0.95mA) = 0.63W
SOT - 23: TJ = 25°C + (205.9°C/W x 0.63W) = 154.72°C
SOT - 223: TJ = 25°C + (53.1°C/W x 0.63W) = 58.45°C
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