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