RS-485/RS-422、CAN和LVDS/M-LVDS收发器的结温计算

半导体的可靠性由结温决定，结温又取决于几个因素，包括器件功耗、封装热阻、印刷电路板（PCB）布局、散热器接口和环境工作温度。本应用笔记介绍了这些考虑因素，并为确定ADI公司的隔离式和非隔离式RS-485、控制器局域网（CAN）、低压差分信号（LVDS）和多点低压差分信号（M-LVDS）收发器的最大结温和功耗提供了指导。

结温

结温是指集成电路（IC）中半导体的温度。通过保持较低的结温，器件的长期可靠性得以提高。使用公式1估算结温。

其中：
TJ是结温 （°C）。
T一个是环境温度 （°C）。
θJA是环境热阻 （°C/W） 的结点。
PDISS是器件总功耗 （W）。

ADI公司的所有数据手册中都有最大环境工作条件。结温、热阻和功耗是可说明的，也可以计算。

公式1是确定结温的一种方法;其他方法包括复杂的三维有限元分析，以及使用热电偶直接测量IC温度。

热阻

与环境热阻的结点，θ贾（°C/W），定义热从热IC结传递到环境空气时的电阻。

ADI公司数据手册中提供的热阻值假设4层JEDEC标准板没有冷却气流，板上没有散热器。IC封装上的气流降低了封装热阻，并允许在额定最大结温下增加功耗。散热器通过提供从器件到 PCB 和机箱的传导路径，允许 IC 散热并降低热阻。

最大功耗

在评估收发器器件的热和可靠性特性时，总线接口（收发器加负载）的功耗是关键。总功率是由于输出负载而在收发器中耗散的功率与收发器静态功率的总和。

特定器件的最大安全功耗受到芯片结温相关上升的限制。通常，最大额定结温为150°C。 在给定的环境温度工作条件和热阻下，可以计算出相应的最大功耗。在某些情况下，最大功耗可能远大于典型收发器应用的功耗。

在150°C的结温下，器件封装的塑料特性会发生变化。即使暂时超过此温度限制，也可能改变封装对芯片施加的应力，从而永久改变收发器的参数性能。长时间超过150°C的结温可能会导致功能损失。

绝对最大额定值

ADI公司数据手册提供隔离式和非隔离式RS-485和RS-422、CAN和LVDS/M-LVDS收发器的绝对最大额定值。等于或高于绝对最大额定值下列出的应力可能会对设备造成永久性损坏。长时间超过最大运行条件的运行可能会影响产品的可靠性。

器件产品组合

罐头收发器

ADI公司的CAN收发器在数据层链路、硬件协议器和CAN总线的物理布线之间提供差分物理层接口。AN-1123应用笔记提供了CAN实施指南。ADI公司提供隔离式CAN ADM3052、ADM3053和ADM3054收发器，以及非隔离式CAN ADM3051收发器。隔离式CAN器件包括ADI集成i耦合器和ISO电源隔离技术（参见i耦合器和ISO电源技术部分）。

这些产品的数据手册在绝对最大额定值表中指定最大结温为130°C或150°C。还提供热阻抗（结到环境）和环境温度工作条件。使用公式1确定给定环境温度工作条件下的最大允许功耗，在本例中为85°C或125°C。

表1给出了最大允许功耗。或者，CAN器件的功耗可以在给定的负载条件下计算，公式1用于确定相应的结温。如前所述，表1中的最大功耗可能大于典型收发器应用的功耗。

 

CAN部件号	结温（°C）	T一个最高（°C）	热阻（°C/W）	功耗 （W）
ADM3051	150	125	110	0.227
ADM3053	130	85	53	0.849
ADM3054	150	125	53	0.472

 

ADM3054数据手册提供给定负载条件下的逻辑和总线侧电流。最大逻辑侧电流为3.0 mA，最大总线侧电流为75 mA，输出负载电阻为60 Ω。 使用公式2确定5 V电压下的功耗。

其中：
V 是收发器电压 （V）。
I是收发器电流（逻辑侧、静态、总线侧）（mA）。
RL是CAN应用驱动的典型负载。

所有总线侧电流不流过RL负载电阻;因此，只有当前部分通常流经 RL被减去。

对于352.5 mW的功耗和53°C/W的热阻，相应的结温上升约为18°C。 使用公式1表示环境工作温度为125°C，结温为143°C。

LVDS驱动器和接收器

ADI公司的LVDS驱动器（发送器）和接收器为点对点应用提供高速信号单端至差分解决方案。例如，ADN4663 LVDS驱动器的工作速率高达600 Mbps，而ADN4664 LVDS接收器的工作速率高达400 Mbps。ADI公司的LVDS产品组合具有增强的±15 kV ESD保护。AN-1177应用笔记提供了LVDS和M-LVDS电路实现指南。

LVDS数据手册在绝对最大额定值表中提供了最高结温。对于每个LVDS器件，最大结温为150°C。 绝对最大额定值表规定了热阻以及最高环境工作温度。使用公式1计算功耗。表2详细介绍了每个LVDS器件在最大环境温度工作条件下的最大允许功耗。

 

LVDS 部件号	结温（°C）	T一个最高（°C）	热阻（°C/W）	功耗 （W）
ADN4661	150	85	49.5	0.435
ADN4662	150	85	149.5	0.435
ADN4663	150	85	149.5	0.435
ADN4664	150	85	149.5	0.435
ADN4665	150	85	150.4	0.432
ADN4666	150	85	150.4	0.432
ADN4667	150	85	150.4	0.432
ADN4668	150	85	150.4	0.432
ADN4670	150	85	59	1.102

 

作为表2中提供的最大功耗的替代方案，计算LVDS器件在典型条件下的功耗，并使用公式1确定相应的结温。如前所述，最大功耗可能远大于典型收发器应用的功耗。例如，ADN4664数据手册为开关电流为47 mA的两个通道提供典型电源电流。使用公式3计算3.3 V电压下的功耗。

其中：
V 是接收器电压 （V）。
I 是接收器电流 （mA）。

对于155 mW的功耗和149.5°C/W的热阻，相应的结温上升为23°C。 使用公式1表示环境工作温度为85°C，结温为108°C。

M-LVDS收发器

ADI公司的M-LVDS收发器通过允许两个以上节点之间的双向通信，扩展了已建立的LVDS信号方法。ADN4690E、ADN4692E、ADN4694E 和 ADN4695E 均为收发器，用于高速发送和接收 M-LVDS（数据速率高达 100 Mbps）。ADN4691E、ADN4693E、ADN4696E和ADN4697E能够以高达200 Mbps的数据速率工作。M-LVDS收发器提供全双工和半双工模式，采用8引脚和14引脚SOIC封装。AN-1177应用笔记提供了LVDS和M-LVDS电路实现指南。

ADN4690E/ADN4692E/ADN4694E/ADN4695E数据手册提供了计算功耗和结温的信息，具体取决于封装类型。表3提供了8引脚和14引脚SOIC封装的热阻值。

 

M-LVDS 部件号	T一个最高（°C）	热阻（°C/W）	SOIC 封装类型	双工
ADN4690E	85	121	8 引脚	半
ADN4694E	85	121	8 引脚	半
ADN4692E	85	86	14 引脚	满
ADN4695E	85	86	14 引脚	满

 

ADN4690E/ADN4692E/ADN4694E/ADN4695E数据手册规定了94 mW收发器功耗。

对于94 mW的功耗和121°C/W的热阻，结温的相应上升为11°C。 使用公式1，环境工作温度为85°C，结温为96°C。 对于94 mW的功耗和86°C/W的热阻，结温的相应上升为8°C。 使用公式1，环境工作温度为85°C，结温为93°C。

ADN4691E/ADN4693E/ADN4696E/ADN4697E数据手册提供了计算功耗和结温的信息，具体取决于封装类型。表4提供了8引脚和14引脚SOIC封装的热阻值。

 

M-LVDS 部件号	T一个最高（°C）	热阻（°C/W）	SOIC 封装类型	双工
ADN4691E	85	121	8 引脚	半
ADN4696E	85	121	8 引脚	半
ADN4693E	85	86	14 引脚	满
ADN4697E	85	86	14 引脚	满

 

ADN4691E/ADN4693E/ADN4696E/ADN4697E数据手册提供最大电源电流，驱动器和接收器均使能电流为25 mA。典型负载（RL） 由收发器驱动为 50 Ω。 使用公式4计算总功耗。

所有总线侧电流不流过RL负载电阻;因此，只有当前部分通常流经 RL被减去。

对于77 mW的功耗和121°C/W的热阻，结温的相应上升为9°C。 使用公式1，环境工作温度为85°C，结温为94°C。

对于77 mW的功耗和86°C/W的热阻，结温的相应上升为7°C。 使用公式1，环境工作温度为85°C，结温为92°C。

RS-485/RS-422 收发器

ADI公司提供各种标准RS-485/RS-422收发器和i耦合器隔离式RS-485/RS-422收发器，适合多种应用。RS-485收发器允许长距离（最大4000英尺）的双向通信，差分传输线提高了抗噪性。AN-960应用笔记提供了RS-485/RS-422电路实施指南。表5提供了ADI公司隔离式RS-485收发器的数据，其中包括集成i耦合器和iso电源隔离技术（参见i耦合器和iso电源技术部分）。

 

部件号	结温（°C）	T一个最高（°C）	热阻（°C/W）	功耗 （W）
ADM2481	102	85	65	0.256
ADM2482E	95	85	61	0.156
ADM2483	104	85	73	0.256
ADM2484E	93	85	73	0.103
ADM2485	104	85	73	0.266
ADM2486	105	85	73	0.271
ADM2487E	91	85	61	0.103
ADM2490E	102	105	60	0.291
ADM2491E	100	85	60	0.241
ADM2582E	141	85	50	1.13
ADM2587E	113	85	50	0.567
ADM2682E	143	85	52	1.13
ADM2687E	114	85	52	0.567

 

公式5和公式6分别是ADM2587E和ADM2582E功耗的示例计算，使用从器件数据手册中收集的典型54 Ω负载条件下的数据。

所有总线侧电流不流过RL负载电阻;因此，仅减去通常流经RL的电流部分。

对于ADM2587E，功耗为0.567 W，热阻为50°C/W，结温相应上升28°C。 使用公式1，环境工作温度为85°C，结温为113°C。 对ADM2582E进行类似的计算。

ADM2486数据手册规定采用4 V电源时逻辑侧电流为5 mA。相应的58 mA总线侧电流和5 V总线侧电压（数据速率为20 Mbps时）提供271 mW的功耗值（参见公式7）。

所有总线侧电流不流过RL负载电阻;因此，仅减去通常流经RL的电流部分。

ADM2486的功耗为271 mW，热阻为73°C/W，结温相应上升19.8°C。 使用公式1表示环境工作温度为85°C，结温为105.4°C。

ADM2682E/ADM2687E数据手册提供了典型总线负载条件下的电源电流。功耗计算与ADM2587E和ADM2582E类似。

ADM2482E、ADM2487E、ADM2485、ADM2490E、ADM2491E、ADM2481、ADM2483和ADM2484E的收发器功耗计算与ADM2486相似。计算功耗后，对于给定的热阻和环境工作温度，可以使用公式1确定结温（见表5）。

散热器和散热设计

有关散热器、PCB布局和其他热设计良好实践的指南，请参阅ADI公司的MT-093教程（请参阅“参考”部分）。本教程为需要考虑功耗的应用提供PCB布局指南。

i耦合器和 iso电源技术

在典型的客户应用中，电路组件之间的隔离可提高系统安全性和数据完整性。隔离可以保护系统侧的敏感电路元件免受高压设备通常所在的总线侧存在的危险电压电平的影响。隔离还可以减轻甚至消除影响系统数据采集精度的共模噪声和接地环路。

有关隔离RS-485节点电源的选项和解决方案，请参阅ADI公司技术文章MS-2155（请参阅“参考”部分）。技术文章MS-2155说明了ADI公司ADM2587E RS-485收发器中使用的ISO电源隔离DC-DC转换器技术。ADM2587E还采用ADI耦合器数据隔离技术。

采用i耦合器技术的隔离式RS-485和CAN收发器使设计人员能够在设计中实现隔离，而不受光耦合器的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性限制。

审核编辑：郭婷