Vítejte, dnes je
neděle
22.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
V elektronice často čelíme problémům s vysokou teplotou obvodů. Tyto obvody nám následně mohou přehřívat celé naše zařízení nebo ovlivnit teplotně citlivé sousední komponenty. Jak zjistíme, zda je tato teplota kritická?
Ne vždy je odpověď na tuto otázku jednoduchá. Dokumentace součástky obecně známá jako datasheet od výrobce málokdy uvádí provozní teplotu, ale spíše maximální teplotu okolí nebo jádra komponenty. Z těchto údajů si následně jsme schopni spočítat, jakou maximální teplotu můžeme na součástce mít, případně jak ji můžeme maximálně zatížit.
Jak postupovat při návrhu zařízení
První je dobré udělat kalkulaci pro orientační hodnoty ztrát dříve, než vůbec něco vyrobíte. To nám pomůže pro rozložení součástek a dimenzování plošného spoje. Následně jako první analýzu po vyrobení zařízení uděláme snímek termokamerou. To nám zase umožní najít nejkritičtější součástky a celkové rozložení tepla na desce. Nicméně s termokamerou není možné finální měření sestaveného zařízení v teplotní komoře v testovacím setupu. Finální měření zpravidla provádíme v teplotní komoře pomocí termočlánků. Tak získáme informaci o tom, jakou nejvyšší teplotu při provozu můžeme očekávat na kritických součástkách, jako jsou DCDC měniče, paměti, high-side switche, cívky, krystaly atd. Nicméně tato teplota je pouze teplotou povrchu součástky, obvykle značenou jako Tc. Nás ale zajímá teplota uvnitř součástky, přesněji v jejím jádru, obvykle značená jako Tj. Potřebnou teplotu zjistíme pomocí změřené teploty na pouzdře a teplotním odporu pouzdra. Tuto informaci dohledáme v katalogovém listu příslušné součástky (tab. 1 a 2).
Tab. 1 Teplotní informace katalogového listu (datasheet) pro LM2936
Tab. 2 Doporučené provozní hodnoty z katalogového listu pro LM2936
Nejčastěji se uvádí teplotní odpor mezi jádrem a teplotou okolí. Nás více zajímá teplotní odpor mezi jádrem a pouzdrem, jelikož měříme teplotu na součástce. V příkladu si ukážeme výpočet pro oba případy a co nám tato čísla říkají (obr. 1).
Obr. 1 Vysvětlení pojmů
Teplotní odpor je důležitý parametr, udává nám schopnost součástky odvádět teplo do okolí. Novější součástky to řeší nejčastěji přes napájecí plošku (power pad), kterou odvádějí teplo do plošného spoje. Tyto součástky se vyznačují nízkým teplotním odporem, malou velikostí a velkou výkonovou zatížitelností. Zde je příklad starších a novějších provedení (obr. 2 a tab. 3), kdy starší oblíbené pouzdro SOIC8 má v porovnání s novějším pouzdrem
VSON více než dvojnásobný rozměr [3], [4].
Obr. 2 Porovnání rozměrů a tvarů novějších a starších typů pouzder (VSON a SOIC8)
Tab. 3 Teplotní odpor jádro-okolí pro pouzdro SOIC8 a VSON
Příklad 1 – high-side switch
Jeden z typických příkladů je high-side switch, který obvykle bývá jedním z největších zdrojů tepla v PLC modulech. Na jednoduchém příkladu si spočítáme jeho maximální ztrátový výkon a maximální oteplení.
IC DRIVER HIGH-SIDE STMPS2151 SOP8
Důležité parametry:
Tj… udává maximální provozní teplotu v jádře komponenty (Junction temperature)
Rthj-a = 160 °C/W (značí teplotní odpor mezi jádrem a okolím)
Rthj-c = 28 °C/W (značí teplotní odpor mezi jádrem a pouzdrem − někdy se upřesňuje ještě spodní a vrchní část)
RON = 0,14 Ω (maximální odpor spínače)
IMAX = 0,5 A (maximální proud spínačem)
PD = 0,14 * 0,5*0,5 = 0,035 W (maximální ztrátový výkon)
Tj = 125 °C
Výpočtem dojdeme k závěru, že na pouzdru komponenty můžeme naměřit až 124 °C, abychom nepřekročili maximální teplotu jádra. Druhý výpočet nám říká, že maximální teplota okolí může být 119,4 °C. Pro nás je zajímavější hodnota na povrchu součástky, kterou jsme schopni měřit s dostatečnou přesností (±1 °C). Teplota okolí se na druhou stranu měří hůř [1]. Na této součástce není velká výkonová ztráta, ale je to dobrý příklad na začátek problematiky. V praxi narazíme například na 8kanálové spínače s proudem kanálu 2 A − tam už může být výkonová ztráta 20x větší. Větší problém pro výpočet pak mohou představovat různé integrované obvody.
Příklad 2 – DCDC měnič
Další typický příklad je DCDC měnič, kdy v PLC aplikaci se nejčastěji jedná o snižující měnič z 24 V na 5 V nebo 3,3 V. Základními typy měničů jsou synchronní a asynchronní, náš příklad bude pro synchronní měnič.
Spočítat výkonovou ztrátu na DCDC měniči může být komplikované, a proto si výpočet trochu zjednodušíme na hlavní ztráty. Dle dokumentu [2] se můžeme inspirovat s rozložením ztrát pro konkrétní příklad měniče (Obr. 3). Pro nejjednodušší výpočet výkonové ztráty na měniči se může hodit tento vzorec:
kde VO je výstupní napětí, IO výstupní proud a η značí účinnost.
Tento vzorec bere v úvahu jenom ztráty převodem v závislosti na účinnosti měniče. Je tedy hodně orientační, protože účinnost závisí na více parametrech a je hrubě odečtena z obecného grafu. Navíc nám uvádí celkovou ztrátu převodu, tedy i součástek mimo měnič samotný (cívka, u asynchronního měniče externí dioda). Přesnější výpočet si ukážeme níže.
V tomto výpočtu budeme uvažovat vodivé ztráty obou MOSFETŮ, cívky a spínací ztráty obou MOSFETů. Problematika spínacích ztrát obou MOSFETŮ je podrobně rozebrána v dokumentu [2].
Obr. 3 Vnitřní zapojení synchronního DCDC měniče
Příklad synchronního DCDC měniče:
PON-H… vodivé ztráty horního tranzistoru
PON-L… vodivé ztráty spodního tranzistoru
PL(DCR)… vodivé ztráty cívky
PSW-H… spínací ztráty horního tranzistoru
PSW-L… spínací ztráty spodního tranzistoru
Parametry obvodu TLV62150:
Výpočet vodivých ztrát v tranzistorech (MOSFET):
Výpočet vodivých ztrát v cívce:
Výpočet spínacích ztrát v tranzistorech:
Celkové ztráty jsou součtem všech dílčích:
Pro ztráty pouze u měniče odečteme ztráty v cívce:
Maximální povolená teplota na pouzdře pro přesnější výpočet:
Maximální povolená teplota na pouzdře pro orientační výpočet:
Tímto způsobem můžeme spočítat oteplení součástek a tak zjistit, jestli máme na našem zařízení problém, případně domnělý problém vyvrátit.
U některých součástek nám výrobce bohužel neuvádí parametry teplotního odporu, zejména jádro-pouzdro. Pro tyto případy můžeme použít „cheat sheet“ kde jsou uvedeny parametry nejrozšířenějších pouzder. Každý výrobce má trochu jiné parametry pouzdra, ale hodnoty z dokumentu [5] jsou dostatečné pro orientaci.
Literatura:
[1] https://www.st.com/en/switches-and-multiplexers/stmps2151.html#overview
[5] https://www.analog.com/media/en/package-pcb-resources/package/thermal-table.pdf
