POL热阻测量及SOA评估

作者：Kelly Bai

为了满足更小的方案尺寸以降低系统成本，小型化和高功率密度成为了近年来DCDC和LDO的发展趋势，这也对方案的散热性能提出了更高的要求。本文借助业界比较成功的中压DCDC TPS543820，阐述板上POL的热阻测量方法及SOA评估方法。

PCB Layout对热阻的影响

芯片的数据手册都会标注芯片的热阻参数，如下Figure 1 TPS543820 Thermal Information所示。但这个Thermal Metric的值并不能直接应用于实际项目的热评估中，因为芯片的散热好坏会受到PCB layout的直接影响，包括散热面积，铜厚，过孔数量甚至是布局都会对实际热阻造成较大影响。

Figure 1: TPS543820 Thermal Information

因此，我们需要对项目中重点电源器件进行实际热阻测量，尤其是在高温应用场景下，以避免设计问题导致的芯片可靠性降低甚至无法正常工作。

板上热阻R_θJA测量

测试设备

• 电源
• 示波器
• 电子负载
• 温箱
• 热电偶
• 万用表
• 测试方法

固定输出电压（V_OUT），利用电源提供输入电压电流（V_IN，I_IN)，利用电子负载提供负载电流（I_OUT），利用温箱来创造稳定的环境温（T_A）。逐步缓慢的增加负载电流，同时利用示波器监测输出电压，当输出电压在超过10分钟的时间里恰好只出现了1次shutdown，那么我们认为此时芯片的结温 T_J = T_SDN（thermal shutdown point）。

如Figure 2所示，芯片的T_SDN可以从手册中找到，但这个点的范围比较广，下面介绍两种单颗芯片T_SDN的测量方法，以得到更精确的结果。

Figure 2: TPS543820 Thermal Shutdown Spec

1）使用热电偶或红外测温仪测量恰好发生一次thermal shutdown时的壳温（T_case），利用结温到壳温之间的特征热阻较小的特性，近似认为此时T_CASE=T_SDN。

2）利用PGOOD NMOS体二极管的阈值电压V_TH和温度的负线性关系，保持芯片不上电，用万用表测量不同环境温度下的PGOOD和AGND之间的电压差（V_TH），两点确定一条直线，绘制出此时的V_TH与温度的特性曲线。再次给芯片上电，测量恰好发生一次thermal shutdown时的V_TH值，即可反推出此时的PGOOD NMOS温度（T_PG），由于PGOOD NMOS受到了功率MOSFET的加热，我们认为此时T_PG=T_SDN。

热阻计算公式



其中，



因此，我们可以求得此时板上的热阻。下面我们将介绍如何利用板上热阻进行评估SOA。

SOA评估

我们利用TPS543820EVM的R_θJA结果进行分析，如Figure 1所示，R_θJA=29.1℃/W，假设应用条件为V_IN=12V, V_OUT=5V, Fsw=1MHz, T_{A_MAX}=90℃，从TPS543820数据手册6.3节中可以得到芯片推荐工作最大结温T_J=150℃，因此，可以利用下面的公式求得当前应用条件下芯片正常工作的最大功耗P_{LOSS_MAX}:




计算得到，P_{LOSS_MAX}=2.06W,从TPS543820数据手册中Figure 6-6中可以直接查出此时对应的输出电流为7.5A。因此，我们可以得到在当前应用条件下，芯片可以正常工作的最大输出电流为7.5A，所以该路电源应设计满足I_{OUT_MAX}≤7.5A。

参考文献

Texas Instruments, TPS543820 4-V to 18-V Input, 8-A Synchronous SWIFT Step-Down Converter with Internally Compensated Advanced Current Mode Control datasheet