Calculator voor junctietemperatuur en thermische weerstand
Voer het gedissipeerde vermogen, de omgevingstemperatuur en de thermische weerstanden uit de datasheet in om de junctietemperatuur Tj in de chip te schatten. Er worden twee gevallen vergeleken, zonder koellichaam (θJA) en met koellichaam (θJC + θCS + θSA), elk met de marge tot de maximale junctietemperatuur en het maximale vermogen dat daarbij is toegestaan.
Resultaten
Junctietemperatuur Tj
Marge tot Tj(max)
Maximaal vermogen
Zonder koellichaam (θJA)
–
–
–
Met koellichaam (–)
–
–
–
Stationaire waarden uit Tj = Ta + P × θ; het maximale vermogen is (Tj(max) − Ta) ÷ θ. Tijdelijke opwarming door korte vermogenspulsen is niet meegenomen. θJA varieert sterk met de printplaat en de luchtstroom, dus beschouw het als richtwaarde.
Bekijk als grafiek
De andere invoerwaarden blijven gelijk, terwijl de gekozen invoer varieert van 1/4 tot 4 keer de huidige waarde. De rode stip is de huidige waarde.
Thermische weerstand werkt als een elektrisch circuit
Vermogen dat in de chip wordt gedissipeerd, wordt warmte die van de junctie via de behuizing en de printplaat of het koellichaam naar de omringende lucht stroomt. Thermische weerstand θ is het temperatuurverschil per watt warmtestroom, in °C/W. Als je temperatuurverschil als spanning en warmtestroom als stroom beschouwt, krijg je een wet van Ohm, ΔT = P × θ, en weerstanden in serie tel je gewoon op. De junctietemperatuur is dus Tj = Ta + P × θJA. Met de standaardwaarden P = 1 W, Ta = 25 °C en θJA = 50 °C/W is Tj = 75 °C, wat 50 °C marge laat tot een Tj(max) van 125 °C.
Waarom θJA van de printplaat afhangt, en ψJT
θJA is geen eigenschap van de behuizing alleen. De waarde verandert sterk met de grootte van de printplaat, het aantal koperlagen, het koperoppervlak en de luchtstroom. De meeste datasheetwaarden worden gemeten op een JEDEC-standaardtestprintplaat in stilstaande lucht en zijn daarom vooral geschikt om behuizingen te vergelijken. In een echt product verspreidt de warmte zich via het koper van de printplaat, en θJA kan hoger of lager uitvallen dan de tabelwaarde. In een echt systeem wordt Tj vaak geschat uit de gemeten temperatuur aan de bovenkant van de behuizing Tt, als Tj = Tt + P × ψJT. Omdat niet alle warmte via de bovenkant vertrekt, heet ψJT een thermische karakteriseringsparameter en geen thermische weerstand.
De koellichaamketen en het interfacemateriaal
Met een koellichaam stroomt de warmte vooral van junctie naar behuizing, van behuizing naar koellichaam en van koellichaam naar omgeving, zodat het totaal θJC + θCS + θSA is. θJC zit in de behuizing zelf en staat in de datasheet. θCS is het contact tussen behuizing en koellichaam; minuscule luchtspleten tussen de ruwe oppervlakken blokkeren de warmte, dus vult een thermisch interfacemateriaal (TIM) zoals koelpasta of een thermal pad ze op. θSA hangt af van de grootte van het koellichaam, de vorm van de vinnen en de luchtstroom. De standaardwaarden zijn samen 4,5 °C/W, wat Tj = 29,5 °C geeft bij 1 W en een maximaal vermogen van ongeveer 22,2 W.
Derating en ontwerpmarge
Voor silicium-IC's en vermogenscomponenten is Tj(max) meestal 125 °C of 150 °C, en het toegestane vermogen is Pmax = (Tj(max) − Ta) ÷ θ. Omdat de marge krimpt naarmate de omgevingstemperatuur stijgt, tonen datasheets een deratingcurve die het toegestane vermogen lineair verlaagt met de omgevingstemperatuur. Met θJA = 50 °C/W en Tj(max) = 125 °C ligt de grens bijvoorbeeld op 2,0 W bij 25 °C, maar slechts op 0,8 W bij 85 °C. Hogere junctietemperaturen verhogen ook het uitvalpercentage en verkorten de levensduur, dus houden echte ontwerpen normaal extra marge aan in plaats van precies op Tj(max) te werken.
AHet is een waarde die alleen door de constructie van de behuizing wordt bepaald, dus ongeacht de printplaat waarop het component wordt gemonteerd, verandert de waarde niet
BHoe groter het koperoppervlak van de printplaat, hoe meer warmte wordt vastgehouden en hoe groter θJA wordt
CHet is een waarde gemeten op een testprintplaat, dus hij verandert sterk met het koperoppervlak en het aantal lagen van de echte printplaat en met wel of geen luchtstroming
Antwoord en toelichting tonen
Antwoord: C. Het is een waarde gemeten op een testprintplaat, dus hij verandert sterk met het koperoppervlak en het aantal lagen van de echte printplaat en met wel of geen luchtstroming
θJA is gemeten met het IC gemonteerd op een testprintplaat volgens een norm zoals JEDEC, in een omhulling zonder luchtstroming. Veel warmte stroomt van de behuizing via de pinnen en de pad aan de onderzijde naar de printplaat, dus θJA hangt sterk af van de printplaat. Bij dezelfde behuizing kan het verschil tussen een kleine enkellaagse printplaat en een meerlaagse printplaat met veel kopervlakken bijna een factor 2 zijn. Een groter koperoppervlak of luchtstroming maakt θJA kleiner (betere warmteafvoer). Beschouw de datasheetwaarde als richtwaarde voor vergelijking en controleer in het echte apparaat door de temperatuur te meten.
De junctietemperatuur is Tj = Ta + P × θJA. Opgelost naar P geeft dat P = (Tj(max) − Ta)/θJA = (125 − 85)/50 = 0,8 W. Hoe hoger de omgevingstemperatuur, hoe kleiner de toegestane temperatuurstijging en dus ook het toegestane vermogen. 2,5 W is de fout waarbij vergeten is de omgevingstemperatuur af te trekken (125/50), 1,7 W de fout 85/50. In de praktijk ontwerp je, rekening houdend met het feit dat θJA van de printplaat afhangt en met marge voor derating, op een lager vermogen dan de berekende waarde.
ADe θJA (junctie–omgeving) uit de datasheet plus de thermische weerstand koellichaam–omgeving
BDe som van θJC, de thermische contactweerstand tussen behuizing en koellichaam en de thermische weerstand koellichaam–omgeving
CAlleen de θJA (junctie–omgeving) uit de datasheet; een koellichaam verandert die waarde niet
Antwoord en toelichting tonen
Antwoord: B. De som van θJC, de thermische contactweerstand tussen behuizing en koellichaam en de thermische weerstand koellichaam–omgeving
θJC is de thermische weerstand van de junctie tot het koelvlak van de behuizing (case), gemeten met de case op een constante temperatuur. Met een koellichaam stroomt het grootste deel van de warmte van de case naar het koellichaam, dus tel je θJC, de thermische contactweerstand θCS van bijvoorbeeld siliconenpasta en de thermische weerstand θSA van het koellichaam in serie op. Bijvoorbeeld 1,0 + 0,5 + 3,0 = 4,5 °C/W; bij 10 W verlies is de temperatuurstijging dan 45 °C. θJA is gemeten zonder koellichaam, met het component op een testprintplaat, en is in dit geval dus niet bruikbaar.
Bij silicium-vermogenscomponenten is een maximale junctietemperatuur van 150 °C of 175 °C gebruikelijk. Daarboven neemt de lekstroom sterk toe, treedt gemakkelijk thermal runaway op en wordt de levensduur sterk verkort. In het ontwerp wordt een marge ten opzichte van het maximum aangehouden (bijvoorbeeld gebruik bij ca. 125 °C). SiC kan als materiaal zelfs 300 °C of meer verdragen, maar de hittebestendigheid van verpakkingsmaterialen zoals soldeer, draden en hars vormt in de praktijk de beperking.
Veelgestelde vragen
Wanneer gebruik ik θJA en wanneer θJC?
θJA is de weerstand van junctie naar omgeving wanneer het onderdeel zonder koellichaam wordt gekoeld door de printplaat en de omringende lucht. θJC is de weerstand van junctie naar behuizing, die je bij een gemonteerd koellichaam optelt bij θCS en θSA. θSA bij θJA optellen voor een ontwerp met koellichaam is een fout.
Hoeveel vermogen is toegestaan bij Tj(max) = 125 °C, θJA = 50 °C/W en Ta = 85 °C?
Pmax = (125 − 85) ÷ 50 = 0,8 W. Bij een omgevingstemperatuur van 25 °C zou de grens (125 − 25) ÷ 50 = 2,0 W zijn, dus in een warmere omgeving is minder vermogen toegestaan.
Waarom klopt de θJA uit de datasheet niet met mijn printplaat?
θJA wordt gemeten onder vaste omstandigheden, zoals op een JEDEC-standaardtestprintplaat, en verandert sterk met de grootte van de printplaat, de koperlagen en de luchtstroom. In echte systemen wordt de junctietemperatuur vaak met behulp van ψJT geschat uit de gemeten temperatuur aan de bovenkant van de behuizing.