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DC/DC电源治理应用中的功率MOSFET的热剖析措施

宣布时间:2009年12月10日 16:12    宣布者:贾延安
要害词: MOSFET , 电源 , 功率 , 治理 , 热剖析
电子系统的小型化趋势对电子家当发生了一系列主要影响,其中,公正的热设计和优化的主要性与日俱增。现在的手持装备和便携式系统可以完成很高的功率重量比,其利益网罗节俭质料和降低全体资源。然则小型化是有价值的,特殊是对热治理而言。从一个紧凑的系统把热量披收回去,要比在年夜系统中完成此项义务的设计难度更年夜,这请求所有的系统设计师都对功率半导体器件的热行动有一定的明确。在许多系统中,MOSFET是焦点的功率治理器件,而且MOSFET还容易遭到种种应力的影响,是以明确功率MOSFET的发烧行动显得特殊主要。

虽然在现实上可以用通用热剖析软件来明确功率MOSFET的热行动,照样须要一定水平的器件专业知识,而除MOSFET制造商自己,其他人对这些知识知之甚少。基于RC群集的行动模子是不够的,因尴尬以保持界线条件的自力性,也难于把不合条理的模子组合到一起。二维或半维仿真也有异常的局限,只需三维模子才可行。系统设计师须要的是公用软件,请求有功率建模功效,而不是供非专业用户应用的异常质朴的软件。

虽然凭证它们各自的应用领域,这些工具的先进功效只能在封装、PCB级别施展出来,或许是在外壳级别,但一定不是在所有的级别。

ANSYS和其他无限元剖析工具在剖析MOSFET热行动时相当有用,然则须要很严重年夜的专业知识,而且它们的功效也要比应用所需的功效要多许多。这类多功效的工具不只仅只是用来处置赏罚赏罚某类效果,例如电子、传热和机械效果。可是,软件的庞洪水平使得只需专家才干应用这类建模功效。Flopack、Flotherm、Icepak和ISE等公用工具的利益是简化了培植模子和组合的历程。

在应用功率MOSFET时,系统级设计师须要明确这些器件的现实三维状态。MOSFET制造商具有所有这些信息,然则假定把这些信息所有地下,就相当于宣布了许多知识产权和手艺神秘。是以,难题就在于既要以模子的要领供应这些信息,又不会走漏器件的手艺细节。

Vishay就应用这类措施开发了在线热仿真工具ThermaSim。设计所需的所有数据都被提取到严重年夜的模子中,然后设计者便可以直接应用模子,仿真种种应用和设计妄图中的任何Vishay Siliconix的MOSFET。

为培植可用于ThermaSim的模子,Vishay应用了REBECA-3D,该平台可让用户一步一步地构建出器件的3D模子。除此以外,REBECA-3D还可以把种种器件特点授予结构中的种种元件,然后置入特定的“域”。当器件模子培植完以后,REBECA-3D会界说操作情形,网罗PCB板的特点参数、器件在PCB板上的职位、电源形状和时间因子、情形温度、散热平和流的效果,和电路板在系统内的偏向(水平、垂直、左边朝上或正面朝下)。REBECA-3D应用界线元措施,处置赏罚赏罚了传统数学措施的盘算时间太长的效果,而盘算时间与电子器件的几何比例因子有关。

质朴来讲,REBECA-3D没有把种种结构形状看作是实心的,软件从组成3D结构的8个面的视角去阻拦热剖析。这类措施完成了高粒度的剖析,同时允许应用界线元措施求解传导方程,网罗非线性质料、稳态应用、无外部网格的方程。可是,用这类措施阻拦热仿真取得的数据,对系统设计来讲曾经是足够了。在其他情形下,瞬时的高功率幅值决议了模子和界线条件的临界值,这时间间以致须要把外部网格也推敲在内。

Vishay公司的网站上供应了ThermaSim,这个易用、收费的群集热仿真工具可以和Vishay的在线MOSFET库一起应用。ThermaSim能在几分钟内供应热剖析的效果,而且可以应客户的须要阻拦定制的改写。本文供应了一个特另外例子,经由历程与现实测试效果的较量,对ThermaSim仿真阻拦评价。此外,本文还议论辩说现在ThermsSim版本的局限性,和未来将若何刷新。

DC/DC应用中的功率MOSFET

不才面的例子中,对用于DC/DC降压转换器中(图1)的Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET阻拦了剖析。为剖析器件的性能,应用了Vishay的ThermaSim在线热仿真工具(在Vishay的网站供应,网址)。要应用该工具,首次应用的用户须要阻拦注册,培植用户名和密码。

1.jpg
图1:用于剖析的DC/DC降压转换器,其中接纳了Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET。

在这个例子中,剖析了应用SiP12201印刷电路板的降压DC/DC转换器中Si7392DP和Si7892BDP的热性能。

设计数据库完成注册和培植用户名和密码以后,仿真的第一步是输入应用数据。输入数据以下:

(a)尺度的情形是,在DC/DC转换器中,主要的功率耗散发生于三个器件:高边和低边功率MOSFET(Q1和Q2),和输入电感(L1)。与热剖析有关的电数据:
P1 = 1.9 W — Si7392DP的匀称功率耗散 — Q1
P2 = 1.4 W — Si7892BDP的匀称功率耗散 — Q2
P3 = 1.0 W — 电感器的匀称功率耗散 — L1

(b) 4层印刷电路板的详细数据:
机械结构的详细数据:
(i) PCB长度 (X) = 54 mm
(ii) PCB宽度(Y) = 40 mm
(iii) PCB厚度 (T) = 1.5 mm
顶层:
(iv) 质料 = 铜
(v) 厚度 = 0.076 mm (2 盎司)
(vi) 预计的覆铜面积比例 = 80 %
底层:
(vii) 质料 = 铜
(viii) 厚度= 0.076 mm (2 盎司)
(ix) 预计的覆铜面积比例 = 60 %
两个外部导电层:
www.ed-china.com
www.ed-china.com
(x) 质料 = 铜
(xi) 厚度 = 0.035 mm (1.5 盎司)
(xii) 预计的覆铜面积比例= 100 %
三个外部绝缘层:
(xiii) 质料 = FR-4 环氧玻璃
(xiv) 厚度 = 0.46 mm

(c) 3个功率耗散器件的坐标:
(i) Q1 坐标: X = 23.18 mm, Y = 18.09 mm
(ii) Q2 坐标: X = 23.18 mm, Y = 12.38 mm
(iii) L1 坐标: X = 40.00 mm, Y = 13.65 mm

(d) 铜衬垫坐标:
(i) Q1 衬垫坐标: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm
(ii) Q2 衬垫坐标: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm
(iii) L1 衬垫坐标: X = 25.00 mm, Y = 25.00 mm

(e) 系统信息:
(i) 情形温度: 22℃
(ii) PCB板对地的装配偏向: 水平,器件在顶侧

热仿真设计

请会见,登录进入ThermaSim。ThermaSim的页面将会掀开。点击“Here”,这是在第二段的最后一个单词。输入注册的用户e-mail地址和密码。

第一步是一定仿真用到的器件。要填写这个页面,请应用图2所示的设计数据库。在“Vishay Product”栏,可以应用“Search”框,浏览封装系列,或点击迁徙转变条的选择列表,选中Si7392DP。在“Power Spec”栏,选择“Steady State”单选按钮,在相邻的框中输入功率值0.52。点击在“Vishay Product”部门中的“Add”,“Component Selection List”部门会更新Si7392DP的信息。

2.jpg
图2:设计数据库示例。

在“Components”选项卡,可以用“Search”框、浏览封装类型或经由历程选择列表的迁徙转变条,选摘要仿真的器件。

重复上述法式模范,找到Si7892BDP和其他器件。“Component Selection List”应当和图2相婚配。点击页面底部的“Next”,或选择“PCB”选项卡。

第二步是应用图3所示的设计数据库,输入PCB数值。在size X项输入54,在size Y项输入40,然后点击“Add”。左边的图就会照顾变换。点击“Top Layer”选项卡,在质料项选择“Copper 80 %”,输入0.076做为厚度。

3.jpg
图3:设计数据库。

在“PCB”选项卡里, 输入PCB的尺寸、质料,和顶层、中央层和底层的厚度。

下面选择“Internal Layers”选项卡,输入外部仿真层的参数:质料是FR-4环氧玻璃,厚度是0.46mm。点击“Add”和“Internal Layer List”框,就会与相邻的图表一起更新。

下面添加导电层:质料是铜,厚度是0.035mm(1.5盎司),预计覆铜面积的比例是100%。点击“Add”和“Internal Layer List”框,就会与相邻的图表一起更新。应用拷贝和粘贴敕令,添加绝缘和导电层,如图3所示。点击页面底部的“Next”,或选择“Position”选项卡。

在第三步中,将会一定功率MOSFET和输入电感器的职位。选中“Component Selection List”,划分输入每个功率耗散器件的坐标:

(i) Si7392DP (Q1) 坐标: X = 23.18 mm, Y = 18.09 mm. 点击 “Add”
(ii) Si7892BDP (Q2) 坐标: X = 23.18 mm, Y = 12.38 mm. 点击 “Add”
(iii) Component 1 (L1) 坐标: X = 40.00 mm, Y = 13.65 mm. 点击 “Add”

重复上述法式模范,输入铜衬垫器件参数:

(i) Si7392DP (Q1) 衬垫坐标: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm. 点击 “Add”
(ii) Si7892BDP (Q2) 衬垫坐标: X = 8.00 mm, Y = 5.15 mm. 点击 “Add”
(iii) Other component 1 (L1) 衬垫坐标: X = 25.00 mm, Y = 25.00 mm. 点击 “Add”

输入坐标以后,“Component Selection List”和相邻的图表就会更新。点击页面底部的“Next”,或选择“System”选项卡。

第四步是选择系统。选中“Infinite Environment”选项卡,输入22℃做为情形温度。选择“Free Convection”单选按钮,然后选择“Gravity Orientation – Z Gravity”。在“Simulation Setting”部门,选择“Steady State”单选按钮。点击页面底部的“Next”,或选择“Setup”选项卡。

第五步完成仿真的设计使命。在“Simulation Settings”部门,选择“Accuracy Level High 95 %.”,输入你的e-mail地址,然后生涯装备数据,以便以后再用。划分检查每个器件的输入数据框,点击页面底部的“Next”,或选择“Run”选项卡。

最后一步是运转仿真,然后会弹出一个新窗口。检查“Simulation Checking Summary”里的输入数值,看能否有弱点。假定所有输入数据均无误,点击页面底部的“Send Run”。假定输入有误,点击cancel,前往设计并纠正弱点。

点击完“Send Run,”以后,会掀开一个新窗口,确认仿真曾经被提交,效果会e-mailed给您。点击“Close”前往设计,或加入浏览器,阻拦设计。

假定你须要赞助,点击“Help”选项卡,追求在线指导。你也能够或许点击“E-mail”选项卡,发送建议、提出疑问或申报效果。

热仿真效果

仿真效果的e-mail网罗了设计数据输入的摘要和两个文件:网罗仿真效果的PDF文件和文本文件。PDF文件的第一页是是仿真输入数据的摘要,接上去是设计中可用的导热规模。“仿真输入”的泉源部门是“所有输入效果”,然后是各个器件的部门。PDF文件同时供应了数据表和温度谱的玄色图片。图4显示了Si7392DP的温度谱,Si7892BDP的温度谱也与之类似。

4.jpg
图4:Si7392DP的温度谱。

PDF文件网罗的仿真效果供应了数据表和带温度谱的玄色图片。该图显示了Si7392DP的温度谱。

文本文件总结了详实的信息。

最低系统温度=101.64℃
最高系统温度=131.03℃
Tot flux PCB = 4.045 W, Tmin PCB = 101.64 ℃, Tmax PCB = 128.03 ℃
器件数目=3
Si7392DP Tmin = 115.46 ℃
Si7392DP Tmax = 131.02 ℃
Si7392DP Tdie = 131.04 ℃
Si7392DP Ttop = 125.81 ℃
Si7392DP Tbot = 125.53 ℃
Si7392DP Phi to PCB = 1.88W
Si7892BDP Tmin = 115.05 ℃
Si7892BDP Tmax = 126.12 ℃
Si7892BDP Tdie = 125.99 ℃
Si7892BDP Ttop = 124.66 ℃
Si7892BDP Tbot = 125.09 ℃
Si7892BDP Phi to PCB = 0.48 W
器件 1 Ttop = 119.01 ℃
器件1 Phi to PCB = 0.81 W

实验测试

温升的实验测试是用ThermaSim完成的。图5显示了器件的温度谱,图6显示了测试效果。下面的表1较量了两个MOSFET的温度。

5.jpg
图5:器件的温度谱。

器件温升的实验测试效果是用ThermaSim取得的,玄色图片显示了它们的温度谱。

6.jpg
图6:测试效果。

下表供应的实验测试效果的详细诠释

0.gif

10.81℃和12.67℃年夜约相差10%,能够是由下面的几个因素惹起的:

(1)PCB有几个金属端子和粗接地跳线(见图1)。这些金属赞助把PCB板上的热量披收回去,降低了MOSFET的温度。

(2)仿真工具难以预计PCB板上金属的散热效应,是以仿真的效果要高一些。

可是,仿真效果当中的正误差直接地为我们供应了一个防止低估风险的安然预防措施,而低估在任何仿真当中都不是想要的效果。

我们可以以为,关于评价Vishay功率MOSFET的热性能,而且得出一个安然的热设计,应用ThermaSim取得的热仿真效果是完全够用的。

ThermaSim未来的远景

ThermaSim在线工具可以赞助用户轻松和有用地剖析装配到PCB板上的MOSFET。可是,仿真工具对快速上升的重复性功率脉冲阻拦瞬态热剖析的才干无限。在最新版本的ThermaSim中,周期瞬态比不克不及小于0.01,时间步长不克不及小于0.01。往后的版本将刷新这些剖析才干,而且可以重复对重复性脉冲阻拦晶圆级的仿真,这样便可以在几微秒内完成对功率脉冲的仿真。

声明:作者在此声明,以上实验测试的输入数值是由Yuming Bai博士供应的。

作者:Vishay Siliconix公司Kandarp Pandya
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