Моделювання температурного режиму компонентів

У міру того як щільність монтажу на друкованих платах зростає, розробники схем прагнуть застосовувати компоненти менших розмірів і вартості. Однак при цьому виникає інша проблема. Прогрес у технології виготовлення мікросхем призвів до того, що подальше зменшення розміру корпусу наштовхується на обмеження, що визначаються вимогою відведення тепла, яке виробляється через розсіювання потужності. Виробники мікросхем продовжують стежити за потребами ринку, пропонуючи різноманітні мікросхеми в нових корпусах, розміри яких визначаються потужністю, що ними розсіюється. При цьому у розробників виникає потреба в інструментах проектування, які дозволяють правильно вибрати необхідні компоненти.

Обмеження технічних описів та необхідність моделювання

Основним документом, що містить інформацію про компонент, для розробника є технічний опис (data sheet). Містячи достатню кількість електричних параметрів, він у більшості випадків надає досить скупі відомості про теплову поведінку компонента. В деяких випадках технічний опис служить не стільки засобом для проектування, скільки засобом реклами. Тому найкращим способом визначення температурного режиму компонента в кожному конкретному пристрої є його моделювання.

Спосіб побудови теплової моделі

У пропонованому способі побудови моделі використовується аналогія між електричними і тепловими величинами, де температура представлена у вигляді напруги, а тепловий потік – у вигляді струму. Теплові опори представлені резисторами, а теплоємності мас – конденсаторами. Значення резисторів і конденсаторів визначаються за графіками, отриманими емпіричним шляхом. Використовуючи електронну модель, можна визначити гранично допустиму потужність, що розсіюється мікросхемою, хоча вона зазвичай наведена в data sheet. Крім того, модель дозволяє перевірити роботу мікросхеми при різних температурах навколишнього середовища. У представлених нижче прикладах був використаний симулятор SPICE, хоча можна застосувати і будь-який інший.

Приклад теплового режиму діода BAW56

Для прикладу розглянемо тепловий режим малопотужного діода BAW56 (85 В, 200 мА) у корпусі SOT-23 (рис. 1). Згідно з даними data sheet його тепловий опір RqJA становить 357 °С/Вт. Максимально допустима температура переходу Tj max становить 150 °С. Таким чином, при температурі навколишнього середовища Ta = 25 °С діод може розсіювати потужність P = (Tj max-Ta)/RqJA = 350 мВт, яка і вказана в його data sheet. Слід зауважити, що ця потужність розрахована, виходячи з середнього випрямленого струму IF(AV) = 200 мА. Однак у специфікації вказаний також прямий імпульсний струм для одиночних імпульсів з частотою повторення 1 с, максимальне значення якого становить 1 А. Якщо прийняти пряме падіння напруги рівним 1.25 В (таке ж, як для струму 150 мА), то імпульсна потужність буде дорівнювати 1.25 Вт, що більш ніж у 3,5 раза перевищує середню потужність. Це слід враховувати для розуміння перехідних процесів, що відбуваються в діоді.

Модель теплового опору на основі RC-ланок

При створенні простої моделі теплового опору встановленого на платі діода можна більш точно визначити граничні параметри, що забезпечують його надійне функціонування. Ця модель являє собою каскадне з’єднання RC-ланок, значення R і C яких визначені, виходячи з графіка рис. 2, що відповідає рівнянню:

Рівняння перехідної характеристики

Z1(t)=R1(1−e−t/τ1)+R2(1−e−t/τ2)+R3(1−e−t/τ3)+R4(1−e−t/τ4)+R5(1−e−t/τ5)Z1​(t)=R1​(1−e−t/τ1​)+R2​(1−e−t/τ2​)+R3​(1−e−t/τ3​)+R4​(1−e−t/τ4​)+R5​(1−e−t/τ5​)

де Z1(t) – тепловий опір для імпульсу потужності шириною t, τ1=R1•C1, τ2=R2•C2 і т.д.

Це рівняння досить точно описує реальний процес зміни температури мікросхеми BAW56. Модель добре проявляє себе і при інших значеннях параметрів.

Умови стабільності моделі

Для того, щоб забезпечити стабільність моделі, необхідно виконати дві умови. По-перше, сума опорів усіх резисторів моделі повинна дорівнювати RqJA (357 °C/Вт для корпусу SOT23). По-друге, перехідна характеристика імпедансу Z1(t) повинна добре збігатися з реальним процесом аж до ділянки, де швидкість її зміни мінімальна.

Моделювання в симуляторі SPICE

Для визначення температури переходу значення R і C необхідно ввести в симулятор. Підключивши до моделі (рис. 3) два джерела напруги: джерело E1, кероване напругою, і джерело H1, кероване струмом, можна змоделювати зміну температури переходу при впливі імпульсів потужності будь-якої форми. Значення температури навколишнього середовища задається напругою джерела VTEMP.

На рис. 4 показано зміну температури переходу мікросхеми BAW56 внаслідок проходження імпульсу струму величиною 1 А протягом 1 с. Видно, що температура переходу підвищується при цьому до 120 °C.

Подібний аналіз може бути проведений для будь-якого компонента. Все, що необхідно для цього – правильно задати параметри моделі.

Висновок

У висновку можна сказати, що в процесі мініатюризації компонентів виникає все більше ситуацій, що вимагають перевірки правильності його застосування в тому чи іншому пристрої. Подібно до того, як дефект кільця ракетного прискорювача став причиною катастрофи космічного корабля “Челленджер”, вихід з ладу навіть найнезначнішого компонента може призвести до серйозних наслідків. Тому для набуття впевненості в надійній роботі компонентів бажано не тільки виконати всі вимоги специфікації, але й провести аналіз їх теплової поведінки шляхом моделювання.