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从器件的结温角度分析产品的可靠性

2018-11-07 17:16 次阅读

工程师在设计一款产品时用了一颗9A的MOS管,量产后发现坏品率偏高,经重新计算后,换成5A的MOS管,问题就解决。为什么用电流裕量更小了,却能提高可靠性呢?本文将从器件的结温角度跟你说说产品的可靠性。

工程师在设计的过程中非常注意元器件性能上的裕量,却很容易忽视热耗散设计,案例分析我们放到最后说,为了帮助理解,我们先引入一个概念:

从器件的结温角度分析产品的可靠性

其中Tc为芯片的外壳温度,P​D为芯片在该环境中的耗散功率,Tj表示芯片的结点温度,目前大多数芯片的结点温度为150℃,Rjc表示芯片内部至外壳的热阻,Rcs表示外壳至散热片的热阻,Rsa表示散热片到空气的热阻,一般功率器件用Rjc进行计算即可。

从器件的结温角度分析产品的可靠性

图1功率器件热阻分布示意图

举个例子来说,大家常用的S8050在25℃(Tc)的最大耗散功率是0.625W,额定电流为0.5A,最高结点温度为150℃,此代入公式有:

从器件的结温角度分析产品的可靠性

从上面公式可以推算出Rja为200℃/W(Rja表示结点到空气的热阻)。假设芯片壳温(Tc)为55℃,热耗散功率有0.5W时,此刻芯片结点温度为:Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃,已经超过了最高结温150℃了。故需要降额使用,然而降额曲线在数据手册中并未标注,所以小编只能自行计算。

在25℃(Tc)时有公式:

从器件的结温角度分析产品的可靠性

恒成立。

把线性降额因子设为F,则在任意温度时有:

从器件的结温角度分析产品的可靠性

代入已知参数得到F>5mW/℃,一般为了满足裕量要求,降额因子往往取得更大才能满足可靠性设计要求。

由于小晶体管和芯片是不带散热器的,这时就要考虑壳体到空气之间的热阻。一般数据手册会给出Rja(结到环境之间的热阻)。那么三极管S8050,其最大功率0.625W是在其壳温25℃时取得的。倘若环境温度刚好为25℃,芯片自身又要消耗0.625W的功率,那么为了满足结点不超过150℃,唯一的办法就是让其得到足够好的散热,如下所示。

从器件的结温角度分析产品的可靠性

图2 场效应管散热片

好了,我们把问题转回到最初的场效应管为什么需要从9A变成5A性能更可靠的问题上来,场效应管的损耗通常来自导通损耗与开关损耗两种,但在高频小电流条件下以开关损耗为主,由于9A的场效应管在工艺上决定了其栅极电容较大,需要较强的驱动能力,在驱动能力不足的情况下导致其开关损耗急剧上升,特别在高温情况下由于热耗散不足,导致结点温度超标引发失效。如果在满足设计裕量的条件下换成额定电流稍小的场管以后,由于两种场管在导通内阻上并不会差距太大,且导通损耗在高频条件下相比开关损耗来说几乎可以忽略不计,这样一来5A的场管驱动起来就会变得容易很多,开关损耗降下去了,使用5A场管在同样的温度环境下结点温度降低在可控范围,自然就不会再出现热耗散引起的失效了,当然遇到这种情况增强驱动能力也是一个很好的办法。

从器件的结温角度分析产品的可靠性

图3开关器件损耗分析示意图

通常大多数芯片的结点温度是150℃,只要把结点温度控制在这个范围内并保持一定裕量,从热耗散的设计角度来说都是没有问题的,如果下次你找遍了芯片的器件性能指标均发现有一定裕量却无法找到失效原因时,不妨从热耗散的角度来发现问题,兴许能帮上大忙。

电源模块在实际应用中,通常面临着高温环境,因此在在设计电源时,本文只通过场效应管的结温来开题,真正的电源产品可靠性需要考虑所有器件的结温与可靠性,如果选用成品电源,不管是模块电源、普通开关电源、电源适配器等,这部分的工作一般都由电源设计厂家完成。

从器件的结温角度分析产品的可靠性

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从器件的结温角度分析产品的可靠性

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A5191HRT 工业HART协议调制解调器

信息 A5191HRT是一款单芯片CMOS调制解调器,适用于高速公路可寻址远程传感器(HART)现场仪表和主机。调制解调器和一些外部无源组件提供满足HART物理层要求所需的所有功能,包括调制,解调,接收滤波,载波检测和发送信号整形。 A5191HRT与SYM20C15引脚兼容。有关引脚与SYM20C15兼容性的详细信息,请参见引脚说明和功能描述部分。 A5191HRT使用每秒1200位的相位连续频移键控(FSK)。为了节省功率,接收电路在发送操作期间被禁用,反之亦然。这提供了HART通信中使用的半双工操作。 低功耗 Bell 202移位频率为1200 Hz和2200 Hz 单芯片,半 - 双工1200比特FSK调制解调器 发送信号波形整形 接收带通滤波器 满足HART物理层要求 CMOS兼容 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:13 18次 阅读
A5191HRT 工业HART协议调制解调器

CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25128是一个128 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为16kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25128设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V操作 硬件和软件保护 低功耗CMOS技术 SPI模式(0,0和1,1) 工业和扩展温度范围 自定时写周期 64字节页写缓冲区 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留< / li> 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 具有永久写保护的附加标识页...
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CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25256是一个256 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为32kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。输入可用于暂停与CAT25256设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0)和(1,1) ) 64字节页面写缓冲区 具有永久写保护的附加标识页(新产品) 自定时写周期 硬件和软件保护 100年数据保留 1,000,000编程/擦除周期 低功耗CMOS技术 块写保护< / li> - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 工业和扩展温度范围 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘UDFN和TDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...
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CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

CAT25040 4-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25040是一个4-kb SPI串行CMOS EEPROM器件,内部组织为512x8位。安森美半导体先进的CMOS技术大大降低了器件的功耗要求。它具有16字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25040设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 16字节页面写入缓冲区 自定时写入周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 PDIP,SOIC,TSSOP 8引脚和TDFN,UDFN 8焊盘封装 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...
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CAT25040 4-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

CAT25160 16-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25080 / 25160是8-kb / 16-kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为1024x8 / 2048x8位。它们具有32字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25080 / 25160设备的任何串行通信。这些器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 10 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 32字节页写缓冲区 自定时写周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000个编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 符合RoHS标准的8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装...
发表于 04-18 19:13 22次 阅读
CAT25160 16-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

MC10EP32 3.3 V / 5.0 V ECL÷·2分频器

信息 MC10 / 100EP32是一个集成的2分频器,具有差分CLK输入。 V 引脚是内部产生的电源,仅适用于该器件。对于单端输入条件,未使用的差分输入连接到V 作为开关参考电压。 V 也可以重新连接AC耦合输入。使用时,通过0.01μF电容去耦V 和V ,并限制电流源或吸收至0.5mA。不使用时,V 应保持开路。复位引脚是异步的,并在上升沿置位。上电时,内部触发器将达到随机状态;复位允许在系统中同步多个EP32。 100系列包含温度补偿。 350ps典型传播延迟 最大频率> 4 GHz典型 PECL模式工作范围:V = 3.0 V至5.5 V V = 0 V NECL模式工作范围:V = 0 V ,其中V = -3.0 V至-5.5 V 打开输入默认状态< / li> 输入安全钳位 Q输出打开或V 无铅封装可用时默认为低电平 < / DIV>...
发表于 04-18 19:13 14次 阅读
MC10EP32 3.3 V / 5.0 V ECL÷·2分频器

基于DynamIQ架构,虎贲T310所涵盖市场达55亿人

“当大家都在讨论5G的时候,其实你很难想象得到的是,我们还有大量的客户在思考何时能用上移动互联网业务....
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骁龙855之后升级版,高通已经开始准备

除此之外,高通公司还在开发代号为“Huracan”的新芯片。该芯片组的型号为SDM55,使用的是与S....
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紫光展锐春藤510完成通话测试 将为5G商用部署提供重要支撑

紫光集团旗下紫光展锐,全球领先的移动通信及物联网核心芯片供应商之一,继今年2月发布了5G通信技术平台....
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总投资约50亿,紫光旗下子公司发力高端路由器芯片的自主研发

近日,紫光集团旗下新华三集团与成都高新区举行“新华三芯片设计开发基地项目投资合作协议签署仪式”,正式....
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多重利好因素综合作用 中国“芯”发展迅猛

如今,随着大数据的发展、机器算法技术、机器学习能力的不断提升,全球人工智能产业进入了新一轮的爆发期,....
发表于 04-18 16:06 144次 阅读
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PCB六层的两种板叠层结构方案介绍

  随着技术的发展,通讯行业芯片的速率也越来越高,对PCB板上信号质量和电源的完整性的要求也越来越严....
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华为芯片:不能让别人断了我们粮食的重要保证

中兴事件给中国企业敲响了警钟。
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