【工程师笔记】Driver IC 热阻模型概述与计算
点击标题下「mps芯源系统」可快速关注 芯片散热是越来越多客户关心的问题，那么如何构建相应的物理模型进行分析和计算？
点击图片进入小程序，观看
《电机驱动ic热阻模型概述与计算》研讨会
一、热阻的定义及热阻网络模型 热量传递有三种形式，热传导，热对流和热辐射，芯片在package内的热量传递主要是以热传导为主。
图1
以图1的qfn模型为例，ic中的die作为热源，上面有芯片最高温度结温tj, 产生的热量传导至直接和die接触的case top 和pcb board，之后再从case top, pcb board 以热交换，热辐射形式传播至空气；
因此qfn对应的热阻模型可以简化成一个2r网络，四个热阻值，分别是θjc, θca, θjb, θba. 如图2；
图2
这里有两个细节：
1. 热阻θ的定义是两点之间的温度差除以对应流经这两点的功率，是一个有实际意义的物理量，θjc,θjb, 通常是由芯片封装决定的，无法改变；θca, θba通常是由芯片外围空间大小，空气对流情况，有无散热器，以及pcb layout 决定；
2. 在正常应用中，即芯片在pcb上自然对流情况下，芯片95%以上的热量都是通过pcb板走，即向下传导的功率占总功率的95%以上；
二、热阻的应用 如图2，根据公式
因此
其中case的温度往往可以通过热电偶或者红外方便测出来，那么知道了结到壳的热阻θjc是否就能直接算出芯片junction的温度呢？
答案是no，这里有个问题，根据热阻的定义，应用θjc算结温，乘的功率必须是流经case top 方向的功率，但是我们实际应用中无法定量得测出有多少功率从case top 走，又有多少的功率从pcb board走，我们只是定性得知道有95%的功率都是往pcb走；因此我们引入一个概念热特征参数ψ，热特征参数ψ的定义是两点之间的温度差除以总功率；
根据公式
得出
因此我们可以很方便地通过ψjt估算芯片的结温。
总结一下：
1. 热阻θ是两点之间的温度差除以对应流经这两点的功率;
热阻θja, θjc是用来评估不同芯片的thermal performance，而不是计算结温。不同芯片热阻的是通过统一的jesd51标准测得，方便一些系统级的工程师，在做系统级设计时，进行芯片之间的横向比较；
2. 热特征参数ψ是两点之间的温度差除以总功率；
热特征参数ψjt的计算更接近于实际应用条件，因此计算芯片结温往往是通过数ψjt；
三、热阻的测试与计算
图3
根据热阻计算公式：
计算热阻需要三个值，tj,ta,pja; 如图3芯片数据手册中提供的热阻值往往是通过jesd51标准下进行测量，下面简单介绍一下tj,ta,pja在jesd51热测试标准下的测试方法。
(1). 芯片结温tj
图4
图5
jesd51-1规定芯片结温的测试方法—用电压测温度，如图4，图5；
①测k系数：芯片中的mosfet有寄生的体二极管body diode, 其压降和温度是强相关的。我们先选一个bode diode，通一个很小的bias 电流，大概200ua~10ma，把芯片放置恒温箱内，不断改变温度，记录不同温度对应的电压值。几组数据下来，能够绘制出一条电压vs.温度的曲线，曲线几乎是线性，其斜率即为k系数，也叫k因子。如下图6.
图6
②灌功率算结温；给芯片灌大电流，让其发热，对应body diode电压值也会随之变化，带入①曲线公式中，即可算出对应的结温；
图4，图5是两种测试方法，他们区别在于：图4测温度和灌功率，即bias小电流和功率大电流用的是同一个diode；
图5，测温度和灌功率分别用不同的diode。我们实际应用中，芯片在发热时，die上会有很大温度梯度，如果用不同位置的diode, 不管测温度的diode离灌功率的diode有多近，都会存在一定的温度分布差，造成测试结果偏小。
以mpq6612a为例，（mpq6612是一颗qfn3*4的全桥驱动）
下图7是持续给mpq6612a out1 ls 灌3.3w的功率，1000s后芯片的热成像图。p0是out1 ls diode的位置，即芯片最高结温的位置，如果另外选取其他位置如p5-out2 ls diode测温度作为结温，就会存在高达~30°c的测试误差。
图7
图4是目前的主流方法，也是精度最高的，即用同一个管子完成测温度和灌功率。
以mpq6612a为例，图8：
点击图片进入小程序了解mpq6612的更多内容
图8
选取任意一个diode,先通bias小电流即isense,测出k系数。之后通大电流灌功率即idrive, 灌完功率后，迅速把电流切回isense, 测出diode电压，根据k系数和diode电压可以测出一条降温曲线，在软件上对降温曲线进行反向拟合，校正切换瞬间噪声，可以得出灌完功率那一刻的温度值，即芯片最高结温。
选取同一个管子的测试结果精度虽高，但是对实验要求也很高。必须要让电流切换瞬间非常快，所以热阻测试有专门的测试仪器t3ster，它的量测时间短至1us,即灌完功率后1us的时间，传感器就能读到小电流下的电压值。
除了这两种方法测结温，还有比较常规的otp法，很多芯片都有thermal sensor的单元，我们可以通过触发otp的threshold来作为结温测试热阻，但是这个方法和用不同管子电压值测温度一样，在die里面thermal sensor 和灌功率单位的位置也是有温度分布差的，因此会有很大的误差。
(2). 芯片环境温度ta jesd51同时也规定了芯片测试环境等一系列要求，如图9，空气是自然对流还是强制对流，测试板的layout，2s2p还是1s0p等等。大致了解下即可。
图9
(3). 芯片功率方向的唯一性 上面讲到，两点之间的热阻是对应两点之间的功率，因此我们在测试不同热阻时，需要保证芯片功率方向唯一性，以下图10 θjc为例。
图10
芯片正常应用中是有上下两个散热方向即junction to case(top), junction to board。如果要测试θjc，需要保证芯片全部功耗往case top方向走，可以通过对其他散热方向进行绝热处理。实验中可以让芯片四周和底部用绝热泡沫夹住，顶部用冷水板保持恒温。仿真可以直接在case top 设置一个温度点，譬如接地。
解决了jesd51标准下tj，ta，功率方向唯一性的测试方法后，我们来看一下mpq6612a热仿真测试结果。
点击图片进入小程序
了解mpq6612的更多内容
图11
上图11是mpq6612a基于jesd51标准的热阻仿真结果。其中值得一提的是，θjb测试中，能看到芯片pin走线是非常宽的，远大于正常应用，这是因为热阻测试的标准是jesd51，它往往模拟的是pcb layout 很差的情况。因此我们在正常应用中，标准evb上测试的热阻值或者是热特征参数要比jesd51标准下好很多。
四、瞬态热阻-热阻抗 现在很多芯片在启停的时候，会有比较大的电流冲击，瞬态的功率可能是稳态功率的几十倍，因此瞬态结温的高低是越来越多客户关心的问题。前面提到的热阻模型都是基于稳态下，那么研究瞬态，该构建怎么样的散热模型呢？
瞬态热阻，即热阻抗zth。如图12，热阻抗是热阻值随功率pulse脉宽变化的函数，当时间足够长时，系统达到稳态，这时候的热阻抗就等于热阻。
图12
那么如何测试瞬态热阻抗?即瞬态功率下对应的结温呢？
我们来看一下基于mpq6612a的瞬态热阻抗测试方法和结果。
思路和前面测稳态时一样，选取一个管子测温度和灌功率，但是我们可以通过改变power pulse 的脉宽，测出一个不同power pulse 脉宽下对应的结温，进而得出对应的热阻，绘制曲线即为热阻抗。
点击图片进入小程序，了解mpq6612的更多内容
图13
图13是mpq6612在标准evb上用t3ster的热阻抗测试结果。横坐标是power pulse的脉宽，纵坐标是对应的瞬态结到环境温度的热阻zth。
从图中，不难发现这里有两个有趣的现象：
1. 脉宽达到1000s以后，热阻抗几乎不变，即系统达到稳态，这时候热阻抗等于稳态热阻, 即~30°c/w ，比前面热仿真rθja热阻值44°c/w 要小很多，这是因为30°c/w 是基于标准evb的测试结果，而44°c/w 是基于jesd51标准的测试结果，jesd51 测试板往往模拟的是pcb布局很差的情况。
2. 热阻抗曲线，有明显两个拐点，分别是1s,100s。这是因为1s以前芯片热量还没有传递至package表面，热量还在内部，所以对应1s以前的热阻抗就非常低。而100s大概是芯片热量均匀传递至pcb的时间点。0-1s是package level, 1s-100s是pcb level, 100s-1000s 是system level即稳态。
五、pcb layout tips 前面提到正常应用中，芯片95%的热都是通过pcb散热，因此pcb合理的layout能够更好地提高芯片的thermal performance。下面是几个tips。
图14 mpq6612a: 4-layer evaluation board
1. 走大功率的环路布铜面积要大，布铜率要高。
2. 对散热有更高要求可以用四层板。
3. 选pcb基板的时候，尽可能多用铜箔，少用fr4
4. 靠近ic或者是功率走线，多打过孔，一个常规尺寸的过孔热阻值也有100°c/w。
end
▼往期精彩回顾▼ 电机驱动ic热阻模型概述与计算
【短视频】mps 电源小课堂第七话：dcdc芯片的温升如何计算？
戳“阅读原文”，观看完整研讨会内容
点个“在看”不失联
原文标题：【工程师笔记】driver ic 热阻模型概述与计算
文章出处：【微信公众号：mps芯源系统】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
3DMark的可变着色率测试加入Tier 2级别
苹果有毒气体传感器专利,可检测有害气体存在
Android 11可让智能家居产品的控制更加便利化
无人值守水泵站的组成——智能网关
学生党平价好用的蓝牙耳机有哪些？平价好用的蓝牙耳机盘点
【工程师笔记】Driver IC 热阻模型概述与计算
浅谈手持PDA扫描枪的功能
硬件电路设计之RS232电路设计
PNP晶体管和NPN晶体管的定义及其区别
微机继电保护测试系统
Facebook 20亿美元豪赌虚拟现实
浅谈如何实现锂离子电池保护电路的低功耗设计
基于大面积薄膜晶体管开关阵列的有源数字微流控平台
固态继电器的选型与固态继电器工作中遇到的主要问题
一加5与努比亚Z17谁更好？看完你就明白了,一加5与努比亚Z17到底该买谁
多家家电大厂纷纷推出相关空调产品
顺络磁性器件应用于大功率SiC双向DC-DC转换器
视觉系统，不仅是用来看的，还能预测“未来”！
预计在2023年后5G行业应用规模将开始增长
电源芯片SF5773L典型输出12V2A最大50W
点击图片进入小程序，观看
《电机驱动ic热阻模型概述与计算》研讨会
一、热阻的定义及热阻网络模型 热量传递有三种形式，热传导，热对流和热辐射，芯片在package内的热量传递主要是以热传导为主。
图1
以图1的qfn模型为例，ic中的die作为热源，上面有芯片最高温度结温tj, 产生的热量传导至直接和die接触的case top 和pcb board，之后再从case top, pcb board 以热交换，热辐射形式传播至空气；
因此qfn对应的热阻模型可以简化成一个2r网络，四个热阻值，分别是θjc, θca, θjb, θba. 如图2；
图2
这里有两个细节：
1. 热阻θ的定义是两点之间的温度差除以对应流经这两点的功率，是一个有实际意义的物理量，θjc,θjb, 通常是由芯片封装决定的，无法改变；θca, θba通常是由芯片外围空间大小，空气对流情况，有无散热器，以及pcb layout 决定；
2. 在正常应用中，即芯片在pcb上自然对流情况下，芯片95%以上的热量都是通过pcb板走，即向下传导的功率占总功率的95%以上；
二、热阻的应用 如图2，根据公式
因此
其中case的温度往往可以通过热电偶或者红外方便测出来，那么知道了结到壳的热阻θjc是否就能直接算出芯片junction的温度呢？
答案是no，这里有个问题，根据热阻的定义，应用θjc算结温，乘的功率必须是流经case top 方向的功率，但是我们实际应用中无法定量得测出有多少功率从case top 走，又有多少的功率从pcb board走，我们只是定性得知道有95%的功率都是往pcb走；因此我们引入一个概念热特征参数ψ，热特征参数ψ的定义是两点之间的温度差除以总功率；
根据公式
得出
因此我们可以很方便地通过ψjt估算芯片的结温。
总结一下：
1. 热阻θ是两点之间的温度差除以对应流经这两点的功率;
热阻θja, θjc是用来评估不同芯片的thermal performance，而不是计算结温。不同芯片热阻的是通过统一的jesd51标准测得，方便一些系统级的工程师，在做系统级设计时，进行芯片之间的横向比较；
2. 热特征参数ψ是两点之间的温度差除以总功率；
热特征参数ψjt的计算更接近于实际应用条件，因此计算芯片结温往往是通过数ψjt；
三、热阻的测试与计算
图3
根据热阻计算公式：
计算热阻需要三个值，tj,ta,pja; 如图3芯片数据手册中提供的热阻值往往是通过jesd51标准下进行测量，下面简单介绍一下tj,ta,pja在jesd51热测试标准下的测试方法。
(1). 芯片结温tj
图4
图5
jesd51-1规定芯片结温的测试方法—用电压测温度，如图4，图5；
①测k系数：芯片中的mosfet有寄生的体二极管body diode, 其压降和温度是强相关的。我们先选一个bode diode，通一个很小的bias 电流，大概200ua~10ma，把芯片放置恒温箱内，不断改变温度，记录不同温度对应的电压值。几组数据下来，能够绘制出一条电压vs.温度的曲线，曲线几乎是线性，其斜率即为k系数，也叫k因子。如下图6.
图6
②灌功率算结温；给芯片灌大电流，让其发热，对应body diode电压值也会随之变化，带入①曲线公式中，即可算出对应的结温；
图4，图5是两种测试方法，他们区别在于：图4测温度和灌功率，即bias小电流和功率大电流用的是同一个diode；
图5，测温度和灌功率分别用不同的diode。我们实际应用中，芯片在发热时，die上会有很大温度梯度，如果用不同位置的diode, 不管测温度的diode离灌功率的diode有多近，都会存在一定的温度分布差，造成测试结果偏小。
以mpq6612a为例，（mpq6612是一颗qfn3*4的全桥驱动）
下图7是持续给mpq6612a out1 ls 灌3.3w的功率，1000s后芯片的热成像图。p0是out1 ls diode的位置，即芯片最高结温的位置，如果另外选取其他位置如p5-out2 ls diode测温度作为结温，就会存在高达~30°c的测试误差。
图7
图4是目前的主流方法，也是精度最高的，即用同一个管子完成测温度和灌功率。
以mpq6612a为例，图8：
点击图片进入小程序了解mpq6612的更多内容
图8
选取任意一个diode,先通bias小电流即isense,测出k系数。之后通大电流灌功率即idrive, 灌完功率后，迅速把电流切回isense, 测出diode电压，根据k系数和diode电压可以测出一条降温曲线，在软件上对降温曲线进行反向拟合，校正切换瞬间噪声，可以得出灌完功率那一刻的温度值，即芯片最高结温。
选取同一个管子的测试结果精度虽高，但是对实验要求也很高。必须要让电流切换瞬间非常快，所以热阻测试有专门的测试仪器t3ster，它的量测时间短至1us,即灌完功率后1us的时间，传感器就能读到小电流下的电压值。
除了这两种方法测结温，还有比较常规的otp法，很多芯片都有thermal sensor的单元，我们可以通过触发otp的threshold来作为结温测试热阻，但是这个方法和用不同管子电压值测温度一样，在die里面thermal sensor 和灌功率单位的位置也是有温度分布差的，因此会有很大的误差。
(2). 芯片环境温度ta jesd51同时也规定了芯片测试环境等一系列要求，如图9，空气是自然对流还是强制对流，测试板的layout，2s2p还是1s0p等等。大致了解下即可。
图9
(3). 芯片功率方向的唯一性 上面讲到，两点之间的热阻是对应两点之间的功率，因此我们在测试不同热阻时，需要保证芯片功率方向唯一性，以下图10 θjc为例。
图10
芯片正常应用中是有上下两个散热方向即junction to case(top), junction to board。如果要测试θjc，需要保证芯片全部功耗往case top方向走，可以通过对其他散热方向进行绝热处理。实验中可以让芯片四周和底部用绝热泡沫夹住，顶部用冷水板保持恒温。仿真可以直接在case top 设置一个温度点，譬如接地。
解决了jesd51标准下tj，ta，功率方向唯一性的测试方法后，我们来看一下mpq6612a热仿真测试结果。
点击图片进入小程序
了解mpq6612的更多内容
图11
上图11是mpq6612a基于jesd51标准的热阻仿真结果。其中值得一提的是，θjb测试中，能看到芯片pin走线是非常宽的，远大于正常应用，这是因为热阻测试的标准是jesd51，它往往模拟的是pcb layout 很差的情况。因此我们在正常应用中，标准evb上测试的热阻值或者是热特征参数要比jesd51标准下好很多。
四、瞬态热阻-热阻抗 现在很多芯片在启停的时候，会有比较大的电流冲击，瞬态的功率可能是稳态功率的几十倍，因此瞬态结温的高低是越来越多客户关心的问题。前面提到的热阻模型都是基于稳态下，那么研究瞬态，该构建怎么样的散热模型呢？
瞬态热阻，即热阻抗zth。如图12，热阻抗是热阻值随功率pulse脉宽变化的函数，当时间足够长时，系统达到稳态，这时候的热阻抗就等于热阻。
图12
那么如何测试瞬态热阻抗?即瞬态功率下对应的结温呢？
我们来看一下基于mpq6612a的瞬态热阻抗测试方法和结果。
思路和前面测稳态时一样，选取一个管子测温度和灌功率，但是我们可以通过改变power pulse 的脉宽，测出一个不同power pulse 脉宽下对应的结温，进而得出对应的热阻，绘制曲线即为热阻抗。
点击图片进入小程序，了解mpq6612的更多内容
图13
图13是mpq6612在标准evb上用t3ster的热阻抗测试结果。横坐标是power pulse的脉宽，纵坐标是对应的瞬态结到环境温度的热阻zth。
从图中，不难发现这里有两个有趣的现象：
1. 脉宽达到1000s以后，热阻抗几乎不变，即系统达到稳态，这时候热阻抗等于稳态热阻, 即~30°c/w ，比前面热仿真rθja热阻值44°c/w 要小很多，这是因为30°c/w 是基于标准evb的测试结果，而44°c/w 是基于jesd51标准的测试结果，jesd51 测试板往往模拟的是pcb布局很差的情况。
2. 热阻抗曲线，有明显两个拐点，分别是1s,100s。这是因为1s以前芯片热量还没有传递至package表面，热量还在内部，所以对应1s以前的热阻抗就非常低。而100s大概是芯片热量均匀传递至pcb的时间点。0-1s是package level, 1s-100s是pcb level, 100s-1000s 是system level即稳态。
五、pcb layout tips 前面提到正常应用中，芯片95%的热都是通过pcb散热，因此pcb合理的layout能够更好地提高芯片的thermal performance。下面是几个tips。
图14 mpq6612a: 4-layer evaluation board
1. 走大功率的环路布铜面积要大，布铜率要高。
2. 对散热有更高要求可以用四层板。
3. 选pcb基板的时候，尽可能多用铜箔，少用fr4
4. 靠近ic或者是功率走线，多打过孔，一个常规尺寸的过孔热阻值也有100°c/w。
end
▼往期精彩回顾▼ 电机驱动ic热阻模型概述与计算
【短视频】mps 电源小课堂第七话：dcdc芯片的温升如何计算？
戳“阅读原文”，观看完整研讨会内容
点个“在看”不失联
原文标题：【工程师笔记】driver ic 热阻模型概述与计算
文章出处：【微信公众号：mps芯源系统】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
3DMark的可变着色率测试加入Tier 2级别
苹果有毒气体传感器专利,可检测有害气体存在
Android 11可让智能家居产品的控制更加便利化
无人值守水泵站的组成——智能网关
学生党平价好用的蓝牙耳机有哪些？平价好用的蓝牙耳机盘点
【工程师笔记】Driver IC 热阻模型概述与计算
浅谈手持PDA扫描枪的功能
硬件电路设计之RS232电路设计
PNP晶体管和NPN晶体管的定义及其区别
微机继电保护测试系统
Facebook 20亿美元豪赌虚拟现实
浅谈如何实现锂离子电池保护电路的低功耗设计
基于大面积薄膜晶体管开关阵列的有源数字微流控平台
固态继电器的选型与固态继电器工作中遇到的主要问题
一加5与努比亚Z17谁更好？看完你就明白了,一加5与努比亚Z17到底该买谁
多家家电大厂纷纷推出相关空调产品
顺络磁性器件应用于大功率SiC双向DC-DC转换器
视觉系统，不仅是用来看的，还能预测“未来”！
预计在2023年后5G行业应用规模将开始增长
电源芯片SF5773L典型输出12V2A最大50W