工程師在設計一款產(chǎn)品時用了一顆9A的MOS管，量產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)壞品率偏高，經(jīng)重新計算后，換成5A的MOS管，問題就解決了。為什么使用電流裕量更小的MOS管，產(chǎn)品可靠性卻提高了呢？本文將從器件的結溫角度跟你說說產(chǎn)品的可靠性。
工程師在設計的過程中非常注意元器件性能上的裕量，卻很容易忽視熱耗散設計，案例分析我們放到最后說，為了幫助理解，我們先引入一個公式：
其中Tc為芯片的外殼溫度，PD為芯片在該環(huán)境中的耗散功率，Tj表示芯片的結點溫度，目前大多數(shù)芯片的結點溫度為150℃，Rjc表示芯片內部至外殼的熱阻，Rcs表示外殼至散熱片的熱阻，Rsa表示散熱片到空氣的熱阻，一般功率器件用Rjc進行計算即可。
圖1 功率器件熱阻分布示意圖
舉個例子來說，大家常用的S8050在25℃（Tc）的最大耗散功率是0．625W，額定電流為0．5A，最高結點溫度為150℃，此代入公式有：
從上面公式可以推算出Rja為200℃／W（Rja表示結點到空氣的熱阻）。
假設芯片殼溫（Tc）為55℃，熱耗散功率有0．5W時，此刻芯片結點溫度為：Tj＝Tc＋PD＊Rjc代入得到155℃，已經(jīng)超過了最高結溫150℃了。故需要降額使用，然而降額曲線在數(shù)據(jù)手冊中并未標注，所以小編只能自行計算。
在25℃（Tc）時有公式：
恒成立。
把線性降額因子設為F，則在任意溫度時有：
代入已知參數(shù)得到F＞5mW／℃。一般為了滿足裕量要求，降額因子往往取得更大才能滿足可靠性設計要求。
由于小晶體管和芯片是不帶散熱器的，這時就要考慮殼體到空氣之間的熱阻。一般數(shù)據(jù)手冊會給出Rja（結到環(huán)境之間的熱阻）。那么三極管S8050，其最大功率0．625W是在其殼溫25℃時取得的。倘若環(huán)境溫度剛好為25℃，芯片自身又要消耗0．625W的功率，那么為了滿足結點不超過150℃，唯一的辦法就是讓其得到足夠好的散熱，如下圖所示。
圖2 場效應管散熱片
好了，我們把問題轉回到最初的場效應管為什么需要從9A變成5A性能更可靠的問題上。
場效應管的損耗通常來自導通損耗與開關損耗兩種，但在高頻小電流條件下以開關損耗為主，由于9A的場效應管在工藝上決定了其柵極電容較大，需要較強的驅動能力，在驅動能力不足的情況下導致其開關損耗急劇上升，特別在高溫情況下由于熱耗散不足，導致結點溫度超標引發(fā)失效。
如果在滿足設計裕量的條件下?lián)Q成額定電流稍小的場管以后，由于兩種場管在導通內阻上并不會差距太大，且導通損耗在高頻條件下相比開關損耗來說幾乎可以忽略不計，這樣一來5A的場管驅動起來就會變得容易很多，開關損耗降下去了，使用5A場管在同樣的溫度環(huán)境下結點溫度降低在可控范圍，自然就不會再出現(xiàn)熱耗散引起的失效了，當然遇到這種情況增強驅動能力也是一個很好的辦法。
圖3 開關器件損耗分析示意圖
通常大多數(shù)芯片的結點溫度是150℃，只要把結點溫度控制在這個范圍內并保持一定裕量，從熱耗散的設計角度來說都是沒有問題的。如果下次你找遍了芯片的器件性能指標均發(fā)現(xiàn)有一定裕量卻無法找到失效原因時，不妨從熱耗散的角度來發(fā)現(xiàn)問題，興許能幫上大忙。
總結：電源模塊在實際應用中，通常面臨著高溫環(huán)境，因此在在設計電源時，本文只通過場效應管的結溫來開題，真正的電源產(chǎn)品可靠性需要考慮所有器件的結溫與可靠性，如果選用成品電源，不管是模塊電源、普通開關電源、電源適配器等，這部分的工作一般都由電源設計廠家完成。
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