1. 介绍
本应用指南旨在帮助设计工程师了解LFPAK系列封装的功耗限制。MOSFET可以耗散的最大功率被认为是使用一些常见配置的印刷电路板(PCB)设计的功能。这个应用说明包括三个主要部分。第一部分介绍了MOSFET功率损耗和热环境的一些背景。接下来的两节分别讨论低功率LFPAK(LFPAK56D和LFPAK33)和高功率LFPAk(LFPAK56和LFPAK88)。
2. MOSFET功耗与设计环境
在正常运行期间,MOSFET可能会出现三种功率损耗:
•开关损耗——在ON和OFF状态转换期间电压和电流不为零造成的损耗。
•传导损耗——设备完全导通时,由于电阻RDSon造成的损耗。
•雪崩损耗——超过设备击穿电压并发生雪崩事件造成的损耗。
功率的波形可以根据负载的性质而变化。MOSFET消耗的总功率的广义模型是这三个损耗的总和,见方程式(1)。
除了电气要求外,另一个挑战通常是设备需要在恶劣的环境中运行,特别是在温度方面。例如,在汽车和工业应用中,遇到高环境温度要求(从85°C到125°C)并不罕见,这限制了MOSFET可以安全处理的功率值。
半导体器件并不是处理高温时需要考虑的唯一部件。例如,PCB材料FR4的最高工作温度约为130°C,具体取决于制造商和化学成分,这远低于硅管芯结的规定极限(175°C)。
现代应用继续推动功率MOSFET的极限,同时寻求越来越好的性能。因此,热量已成为系统设计中最重要的方面之一。解决热问题的一种方法是仔细选择具有适当性能的设备,并提供足够好的路径,使热量可以自由流动,避免对设备可靠性产生任何影响。
热量传播是由于结和外部/环境之间的温差。传播从结和外部/环境通过不同的材料发生,从固体(硅、铜、FR4、铝)到流体(周围的空气,甚至PCB上焊点中的气囊)。无论是否由工程师定义,热量都会找到一条路径。这意味着,如果路径设计不正确,热量可能会受阻,并使一种或多种介质的温度升高。
热传播的物理现象有:传导、对流和辐射。
2.1.1 传导
传导是由于固体介质内的温差导致的热量在固体介质中的传播,是由原子和分子的随机运动引起的。热流率Q与横截面积A、温差T1-T2和导热系数k成正比。它与热路径的长度x成反比,见方程式(2)。
热导系数k,以W/(m*K)为单位测量,是材料的物理性质,定义了其导热能力。其值越高,传热速率越高,因此导热性越好。从方程式2中可以得出,热流率Q以W为单位。因此,热量以焦耳(Ws)为单位。
表1列出了一些材料及其导热系数值。空气是一种很差的热导体,因此是一种良好的隔热材料。它的导热系数比钢低2000倍。请注意,导热胶的导热系数非常低,小于2(通用品牌)。热胶不是一种良好的热导体,但它的主要功能是在两个表面之间形成良好的配合,否则会形成滞留的气囊,这是比胶本身好100倍的绝缘体。
2.1.2 对流
对流是由于固体相对于物体表面的运动而将热量从固体传递到流体,并由两种介质之间的温差促进。流体可以是气体(空气)或液体。
这里的热流率仅取决于表面A、温差和对流系数h,见方程式(3)。
对流系数不是流体的物理性质(如传导系数),而是通过实验验证的抽象量。它取决于流体密度、速度、粘度、湍流和固体介质表面几何形状。
对流系数以W/(m2K)为单位进行测量。表2列出了在自由/自然和强制冷却的不同情况下测量的一些值。
从相变过程中可以看出,对流系数急剧上升到100000。这是因为在相变过程中,所有涉及并传递到流体的能量都被用来重新排列分子结构,而不会导致温度变化。
2.1.3 辐射
辐射是通过红外辐射传播热量。
辐射的主要好处是,随着环境温度的升高以及部件温度的升高,辐射的传热也会增加。如方程式(4)所示,它取决于温度的四次幂。辐射更大,但幅度不大,总体效果是辐射无助于物体变冷。
辐射量由表面发射率决定。材料的发射率在0到1之间测量。一个完美的发射体被称为黑体,因为它发射了它吸收的100%的能量,并且被赋予了1的发射率值。下表3给出了不同材料的发射率值。
一块新的抛光铝的发射率为0.05(不好),其发射率随着氧化物的增加而增加5倍。每个物体都会发出热辐射,特定物体发出的辐射量随波长的变化呈钟形曲线。能量以所有频率发射,但发射的主要部分发生在取决于源温度的特定波长范围内。温度越高,频率越高(波长越低),这就是为什么我们看到材料在加热时会变色。
在接收侧,对于大多数表面,相同的图形看起来非常平坦,但波长范围很小,物体吸收了所有入射辐射。这些表面被称为选择性表面,因为它们只吸收某些波长。
2.2 热电类比
在考虑热传播时,可以使用经典的分析方法。这些是基于热方程和热网络。这些描述了热量通过介质或从一种介质传播到另一种介质的路径。
任何热网络都可以通过电路建模。在电学领域可以找到每个热参数的类比。电势和电流的相应类似物是温差和热流率。基于这些,可以观察到热阻是温度和热流率的比值,类似于电压和电流比如何使用欧姆定律定义电阻。主要类比见下表4。基于此,热网络可以使用许多电学理论定律来求解,如欧姆定律和基尔霍夫定律。电路也可以通过串联和并联电阻等效来简化。
图5展示了使用SPICE软件在电气领域建模的热电路示例。图6以温度图的形式显示了该示例电路的响应,其中可以看到瞬态和稳态热行为。
2.2.1 热阻
热阻是材料或介质对热流惯性的度量,就像电阻对电子运动的度量一样。因此,它是特定组件的物理属性。它被计算为两点之间的温差与热流率的比值,因此为K/W。热和电模型可以在下图中看到。
控制热量流动的每一种现象,即传导、对流和辐射,都有自己的热阻。它们中的每一个都与产生热量或只是通过热量的材料的系数和表面或横截面积成反比。在传导中,电阻直接取决于介质的长度。
2.2.2 热容
热电容,有时也称为热质量,是一种材料的性质,它表示它可以及时储存多少热量(热能),类似于它的电能。热电容还提供了一个抵抗温度波动的惯性量,值越高,就越难将储存的能量释放或储存。
热电容通常使用符号Cth表示,其测量值为J/K。对于成分均匀的物体,它可以近似为物体的质量(m)和比热容(Cp)的乘积,比热容是物质样品的热容量除以样品的质量。
2.2.3 瞬态与稳态热行为
•热瞬态描述了即使在分析窗口结束时也在变化的温度。在结温图的黄色部分可以观察到一个例子。
•稳态热图描述了温度变化最小或根本没有变化的稳定区域。这些温度随着时间的推移保持不变,因此代表了系统在恒定条件下可能表现的最终结果。
2.3 MOSFET稳态热特性
本节重点介绍两个重要的MOSFET热方面。连接到安装基座的热阻以及连接到环境热阻。本章的目的是概述两种热路径,并展示描述这些路径的热网络。
2.3.1 结到安装基座热阻-Rth(j-mb)
与竞争对手不同,Nexperia在其数据表中没有说明结到外壳热阻Rth(jc)的关系,这有点令人困惑。在JESD51-1中,Rth(j-c)的定义是当热量通过从结到壳体散热表面的最短路径传递时产生的热阻。由于其高导热性和表面积,这将贯穿设备的安装基座。因此,这就是Nexperia在标准功率封装中声明Rth(j-mb)而不是Rth(j-c)的原因。
从MOSFET结到其安装基座的热阻是数据表中最重要的规格之一。这是因为由于大型铜合金安装底座,它是标准功率封装最主要的热路径。图10中表示热流的红色大箭头说明了这一点。
Rth(j-mb)描述了热量在从结到安装基座外表面的一维路径中传播的难易程度。这是通过取结和安装基座之间的温差,除以这两个物理点之间的功耗来