Моделирование температурного режима компонентов

11.07.2023 |

По мере того как плотность монтажа на печатных платах возрастает, разработчики схем стремятся применять компоненты меньших размеров и стоимости.

Однако при этом возникает иная проблема. Прогресс в технологии изготовления микросхем привел к тому, что дальнейшее уменьшение размера корпуса наталкивается на ограничения, определяемые требованием отвода тепла, вырабатываемого из-за рассеяния мощности.

Изготовители микросхем продолжают следить за потребностями рынка, предлагая разнообразные микросхемы в новых корпусах, размеры которых определяются рассеиваемой ими мощностью. При этом у разработчиков возникает потребность в инструментах проектирования, позволяющих правильно выбрать необходимые компоненты.

Основным документом, содержащим информацию о компоненте, для разработчика является техническое описание (data sheet). Содержащее достаточное число электрических параметров, оно в большинстве случаев предоставляет довольно скупые сведения о тепловом поведении компонента. В некоторых случаях техническое описание служит не столько средством для проектирования, сколько средством рекламы. Поэтому лучшим способом определения температурного режима компонента в каждом конкретном устройстве является его моделирование.

В предлагаемом способе построения модели используется аналогия между электрическими и тепловыми величинами, где температура представлена в виде напряжения, а тепловой поток – в виде тока. Тепловые сопротивления представлены резисторами, а теплоемкости масс – конденсаторами. Значения резисторов и конденсаторов определяются по графикам, полученным эмпирическим путем. Используя электронную модель, можно определить предельно допустимую мощность, рассеиваемую микросхемой, хотя она обычно приведена в data sheet. Кроме того, модель позволяет проверить работу микросхемы при различных температурах окружающей среды. В представленных ниже примерах был использован симулятор SPICE, хотя можно применить и любой другой.

Для примера рассмотрим тепловой режим мало- мощного диода BAW56 (85 В, 200 мА) в корпусе SOT- 23 (рис. 1). Согласно данным data sheet его тепловое сопротивление RqJA составляет 357 °С/Вт. Максимально допустимая температура перехода Tj max составляет 150 °С. Таким образом, при окружающей температуре Tа = 25 °С диод может рассеивать мощность P = (Tj max-Tа)/RqJA = 350 мВт, которая и указана в его data sheet. Следует заметить, что эта мощность рассчитана, исходя из среднего выпрямленного тока IF(AV) = 200 мА. Однако в спецификации указан также прямой импульсный ток для одиночных импульсов с частотой повторения 1 с, максимальное значение которого составляет 1 А. Если принять прямое падение напряжения равным 1.25 В (такое же, как для тока 150 мА), то импульсная мощность будет равна 1.25 Вт, что более чем в 3.5 раза превышает среднюю мощность. Это следует учитывать для понимания происходящих в диоде переходных процессов.

Рис. 1. Устройство микросхемы BAW56 (два диода с общим анодом)

При создании простой модели теплового сопротивления установленного на плате диода можно более точно определить предельные параметры, обеспечивающие его надежное функционирование. Эта модель представляет собой каскадное соединение RC-звеньев, значения R и C которых определены, исходя из графика рис. 2, соответствующего уравнению:

 

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),

 

где Z1(t) – тепловое сопротивление для импульса мощности шириной t, τ1=R1•C1, τ2=R2•C2 и т.д.

 

Рис. 2. Переходная характеристика теплового сопротивления Z1(t) для микросхемы BAW56

Это уравнение довольно точно описывает реальный процесс изменения температуры микросхемы BAW56. Модель хорошо проявляет себя и при других значениях параметров. Для того, чтобы обеспечить стабильность модели, необходимо выполнить два условия. Во-первых, сумма сопротивлений всех резисторов модели должна быть равна RqJA (357 °C/Вт для корпуса SOT23). Во-вторых, переходная характеристика импеданса Z1(t) должна хорошо совпадать с реальным процессом вплоть до участка, где скорость ее изменения минимальна.

Для определения температуры перехода значения R и C необходимо ввести в симулятор. Подключив к модели (рис. 3) два источника напряжения: источник Е1, управляемый напряжением, и источник Н1, управляемый током, можно смоделировать изменение температуры перехода при воздействии импульсов мощности любой формы. Значение окружающей температуры задается напряжением источника VTEMP.

Рис. 3. Моделирование теплового сопротивления на симуляторе SPICE

На рис. 4 показано изменение температуры перехода микросхемы BAW56 вследствие прохождения импульса тока величиной 1 А в течение 1 с. Видно, что температура перехода повышается при этом до 120 °C.

Рис. 4. Импульс мощности (а) и напряжение, эквивалентное температуре перехода (б) микросхемы BAW56

Подобный анализ может быть проведен для любого компонента. Все, что необходимо для этого – правильно задать параметры модели.

В заключение можно сказать, что в процессе миниатюризации компонентов возникает все больше ситуаций, требующих проверки правильности его применения в том или ином устройстве. Подобно тому, как дефект кольца ракетного ускорителя стал причиной катастрофы космического корабля “Челленджер”, выход из строя даже самого незначительного компонента может привести к серьезным последствиям. Поэтому для обретения уверенности в надежной работе компонентов желательно не только выполнить все требования спецификации, но и провести анализ их теплового поведения путем моделирования.