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仙童集成MOSFET PWM控制器(FPS)结温计算实例解析(连载中)

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发表于 2014-4-16 17:52:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
仙童FPS(集成PWM控制器和MOSFET)目前在市场上应用的非常广泛,如LED TV 辅助电源;智能电表;家用电器;DVB/DVD等。因为应用广泛,所以对器件进行可靠性分析尤为重要。可靠性分析里面一个重要的指标就是IC的结温分析。下面就以具体实例来分析仙童FPS FSL137在最严酷环境下的结温。
QQ截图20140416174948.png
2.png
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 楼主| 发表于 2014-4-16 18:03:12 | 显示全部楼层
图一为11.6W FSL137MRIN原理图;图二为IC 的热阻。
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发表于 2014-4-17 09:01:31 | 显示全部楼层
分享一下数据手册,

FSL137H.pdf

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发表于 2014-4-17 09:02:51 | 显示全部楼层
学习学习下了。。。
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发表于 2014-4-17 09:24:27 | 显示全部楼层
学习一下,好资料
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发表于 2014-4-17 09:36:01 | 显示全部楼层
好资料。
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 楼主| 发表于 2014-4-17 13:57:03 | 显示全部楼层
          IC 晶圆工作会产生损耗,这个损耗会造成晶圆温度升高,如果这个温度升的过高(比如超过晶圆的最大允许温度,也就是结温 150度),晶圆就会损坏。所以必须要把这个温度给及时排出去,把结温给降下来。排出去的路径包括晶圆外面包的环氧树脂,封装引脚,封装外形结构等。那么这就涉及到两个问题:1)IC的放热路径,也就是从哪个地方散热最快。附件图片是一个IC的基本结构,和放热路径。片结产生的热量通常在①方向释放80%以上,而在②③④方向释放约20%。2)热阻。热阻实际上就是IC的散热效率。它的公式可以参考附件图片。热阻越小,散热效率越高,IC 结温越低。同理热阻越大,IC 热量更不容易散出去,结温越高,IC失效率越高。那么,IC的结温和热阻的关系可以表示为 Tj=Pd*Rja+Ta. 其中Tj指的是IC的结温;Pd指的是IC总损耗;Rja指的是IC 晶圆到环境的热阻,这个参数通常由IC厂商提供,datasheet可以查到。Ta指的是环境温度。
chip.jpg
热阻F.jpg
热阻2.jpg
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 楼主| 发表于 2014-4-17 14:18:46 | 显示全部楼层
荡~荡~荡~荡~~~,下面额正式嘎事实例解析。

上图片咯。图示了测试环境是在一个温箱里面,环境温度设置为60度。要计算FSL137MRIN的结温,根据上面提到的结温公式,需要知道环境温度,这个已经有了,60度。需要知道热阻,这个查datasheet,我们知道是85度/每瓦,最后需要知道的就是IC总的功率损耗。我们知道FSL137MRIN是一颗集成了MOSFET的PWM控制器,所以他的损耗可以分成两块,IC的损耗和MOSFET的损耗。IC的损耗由输入电压乘以输入电流VDD*Idd得出。MOSFET的损耗由导通损耗,输出电容Coss造成的容性损耗以及开关损耗组成。其中开关损耗由开通损耗和关断损耗组成。

测试环境.jpg
测试机台.jpg
温箱里面实测结果.jpg
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 楼主| 发表于 2014-4-17 15:11:10 | 显示全部楼层
这篇实例分析的是在低压85Vac满载状态下的功率损耗。
1)MOSFET的导通损耗
请看低压满载MOSFET导通时的电流波形。
这是一个变压器工作在连续模式的电流波形。我们知道如果电流为直流,那么损耗很好计算,就是电流的平方乘以导通电阻I^2*R.但是在开关电源里面电流一般为时断时续的三角波。所以第一步就是计算这个三角波的有效值,因为有效电流乘以电阻才是能量损耗。见图片结算结果。得出电流有效值为Irms=0.205A.查阅datasheet MOSFET的最大导通电阻Rds(on)=4.75R,在100度条件下Rds(on)=4.75R*1.75=8.31R,所以MOSFET的导通损耗为Pd=(0.205A)^2*4.75R*1.75=0.349W.

2) MOSFET的开关损耗
如果要计算MOSFET的开关损耗,首先要把MOSFET开通关断区域的电压电流波形作一个波形近似,然后分别求出他们的有效值,然后把求出的有效电压和电流相乘,这个过程公式非常复杂并且计算结果也偏差很大。为了实用化和简单化,我们可以直接通过示波器上面的相乘功能,得出开通损耗和关断损耗,见附件图片。得出开通损耗为Pon=0.0180W;关断损耗为Poff=0.111W

3)MOSFET输出电容的容性损耗
MOSFET有一个寄生的输出电容Coss,当MOSFET关断时,高压VDS开始对Coss进行充电,当MOSFET开通时,MOSFET的Rds(on)会将Coss短路,所以Coss里面的能量会全部损耗在MOSFET上。它的损耗可以由公式计算为Pcoss=0.058W,见附件图片输出电容损耗。

4)PWM IC的损耗Pop
IC的损耗比较简单,就是输入电压乘以输入电流Pop=VDD*Idd=15V*1.5mA=0.0225W

综上所述,IC总的功率损耗PD=Pop+Pcoss+Pon+Poff+Pd=0.0225W+0.058W+0.0180W+0.111W+0.349W=0.558W

根据前面提到的结温公式:Tj=Pd*Rja+Ta=0.558W*85(degree/watt)+60degree=107.4degree
检查IC datasheet, IC最大的工作结温为125degree,107.4degree<125degree,所以IC工作环境温度为60度满载条件下是完全没有问题滴。额的神,打字累死俺了
导通波形.jpg
导通损耗.jpg
开通损耗和关断损耗.jpg
输出电容损耗.jpg
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发表于 2014-4-17 15:44:50 | 显示全部楼层
我是来膜拜楼主的
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