通过测量有源元件的管芯温度监控电子系统的热耗散

摘要：在利用众多有效手段进行热管理设计时，最关注的参数是结到环境的热阻(ΘJA)。本文介绍ΘJA的测量方法，并简述工作在空气不流通环境下的电路热管理设计。其中首要之处是仿真技术，该技术允许在硅器件处于工作状态时对其结温进行直接测量。本文通篇均以采用了MAX1811线性电池充电器的电路作为实例进行阐述。

结温和热阻的基础知识热管理设计的主要目标是限制集成电路的结温。如表1所列的绝对最大额定值所示，所有集成电路生产厂家给出的参数中都包括最大工作结温。因此，如果要使某一系统具备高性能和高可靠性¹，电路板设计人员必须确保IC结温不超过其绝对最大额定值。

表1. MAX1811极限参数中与温度有关的数据，其结温的绝对最大额定值为150°C ConTInuous Power DissipaTIon (TA = +70°C) 8-Pin SO (derated 17.5mW/°C above +70°C) 1.4W OperaTIng Temperature Range (°C) -40 to +85 Storage Temperature (°C) -65 to +150 Maximum Die Temperature (°C) +150 Lead Temperature (°C, soldering, 10 seconds) +300
由于IC封装使测量无法接触到结点，因此直接测量IC结温比较困难。作为一种替代方法，可以利用结到外壳的热阻(ΘJC)和外壳到外部环境的热阻(ΘCA)计算结温，如图1所示。在确定IC的结温时，热阻是最重要的参数：ΘJA = ΘJC + ΘCA。


图1. 利用热阻计算IC结温的热状态电模型

未提供ΘJA的IC生产厂家多数会提供ΘJA的倒数，即功率耗散降额因子。例如，从表1可知，MAX1811的功率耗散降额因子是17.5mW/°C，17.5mW/°C的倒数是57°C/W，即ΘJA为57°C/W。

如果将温度等效为电压，将功率等效为电流，则图1所示的热模型类似于欧姆定律，下面以MAX1811以例，计算环境温度为30°C，功耗为1W (PD)时的结温(TJ)：

V=I*R (欧姆定律)
T = P*Θ (热模型)

TJ = PD * (ΘJC + ΘCA) + TA
TJ = 1W * 57°C/W + 30°C
TJ = 87°C

为了更好地理解图1所示的热模型，有必要了解ΘJC和ΘCA的实际含义。ΘJC是从IC的封装特性，如晶元尺寸、引线框架和外壳材料推导出来的。这些特性对于IC封装来说，是特定不变的。而ΘCA则与通风冷却条件、封装及安装形式、走线宽度与外部散热器等因素有关。所以，ΘCA表敬