53052PPRACHP-1

Size: px

Start display at page:

Download "53052PPRACHP-1"

崎员汤
6 years ago
Views:

1 V I SHAY S FE R N I C E 电阻产品应用指南 Power Dissipation in High Precision Chip Resistors and Arrays (P Thin Film, PRA Arrays, CHP Thick Film) A. 摘要一般用于表面安装和专门用于贴片电阻和阵列的数据手册往往在热性能方面仅提供有限的信息所提供的最典型的信息就是类似通孔元件所使用的降额曲线, 但事实上这两种器件类别在散热属性上方面相差甚远在较大的引线元件中, 一般通过从元件都环境的直接转换或发热来实现散热仅有一小部分热量是通过引线和 PCB 进行传导, 然后再传送或放射到环境中去的因此, 当温度升高时, 将元件主体的温度作为决定需要降额的功率数量的依据是非常可行的再较小的表面安装元件中, 如威世的薄膜电阻器和阵列, 恰恰相反,9% 的热量是通过元件主体直接传送到焊接盘, 再传导到 PCB, 最后再发送到外部环境的遗憾的是, 数据表中唯一与热管理程序相关的规格就只有最大结点温度和内部热阻所有其它各项都取决于系统设计, 其中包括环境温度, 冷却系统,PCB 的热性能, 结点的最高温度等等本应用指南从热管理的角度, 对于如何从高精度薄膜电阻器和阵列中实现最佳性能, 为设计者提供了一些额外的指导 B. 散热模型终端薄膜电阻器焊接 T j 焊盘 Rth jsp Rth spa T a 在最小化的表面安装元件中, 电阻器内部所产生的热量以下列的方式传送到周围环境中 : 从电阻层或结点, 通过芯片的主体传导到焊盘在 PCB 内部传导扩散从 PCB 传导到外部环境 Document Number: Revision: 29-Oct-9 1 PCB

2 与那些通过从电阻器主体直接转换和 / 或散发热量的 PCB 相比, 这些元件的尺寸很小, 在下面这些被广泛认可的公式中, 可以将其忽略 : 1. T j = T a + Rth ja x Pd = T a + (Rth jsp + Rth spa ) x Pd = T a + Rth jsp x Pd + Rth spa x Pd 2. T sp = T a + Rth spa x Pd 其中 T j 是电阻层或结点的温度 T a 是 PCB 周围的环境温度 T sp 是焊接点下面焊盘的温度, 它几乎等于焊接点的温度 Pd 是电阻器的功耗 Rth ja 是电阻层和环境之间的热阻 Rth jsp 是电阻层和焊接点之间的热阻 Rth spa 是焊接点和环境之间的热阻 Rth spa 考虑到 PCB 内部的传导, 和从 PCB 到环境间的转换对于元件厂商而言, 主要的热阻值是 Rthjsp, 它受到材料电阻器形式和终端选择的影响厂商也在努力提高他们电阻器的热稳定性, 让器件能够在不出现显著漂移的情况下, 承受越来越高的温度, 而且结点的最高温度也可以提高所有其它参数必须由系统设计者定义, 设计者可以考虑到 PCB 的材料铜面厚度和配置冷却系统周围元件的相互作用等等随着电脑辅助设计的增多, 这是处理小型化设计所提出的越来越严格的要求的唯一途径, 这些要求包括更高的功率密度高温暴露稳定性等等确实, 不充分的热管理会引发一系列严重后果 : 包括焊接点的熔化或不可靠受损的 PCB 性能和因漂移太多所引起的受损的电阻器性能 ( 可逆或不可逆 ) C. 数据正如前面所提出的那样, 数据手册所提供的那些额定功率和降额信息是不足以让设计者来实现贴片电阻的最佳性能的, 而且有时还可能被误导本技术手册为设计者提供了用于标准和放大终端部件的 Rthjsp, 以及与安装在各类 PCB 板上的标准尺寸的贴片电阻的实验数据, 允许他们使用上面所列出的热计算公式这些 PCB 分别选择用于展示最环情况典型情况和最佳情况的热阻得出的最终结果对于那些不能自己计算热阻的设计者有所帮助或有助于他们完成 CAD 的方法 APPL ICATION NOTE Rth 值是从数据手册的信处和下列的热传导数据中计算出来的 : jsp 材料导热性 (W x m -1 x K -1 ) 铝 25 Cu 4 Ni 和 SnAg 5 FR4.26 AIN 1 至 2 表 1 包含了得用热公式进行计算所需的所有数据 Document Number: Revision: 29-Oct-9

3 Application Note 表 1 尺寸 Rth jsp Rth ja EN 1441 Rth spa (Nat) 负载寿命,PCB Rth ja ( 可以根据所采集的实验数据, 填写空格部分 ) 第一栏表示是符合 EN 1441 的 Rth 值, 包括 Rthja 和 Rthspa, 其中 Rthja = Rthjsp + Rthspa 这些非常高的 Rth 数值显示的是保守的数值因为元件厂商不知道这些元件将会被怎样应用, 他们倾向于发布根据最坏情况的假设得出的数据这些假设包括最差的 PCB, 只有一面具有最薄铜层 (35 µm); 最小尺寸的焊接盘 ; 而且对于铜轨道和铜表面 ( 低于 2%) 没有特别关注 ; 如附件 2, 图 1 中所示 ( 我们称之为 ) 同样的表格包含了一些与更多标准 PCB 相关的实验数据所谓标准, 我们是指带有 35 µm 铜层的双面板, 覆盖面积至少 5%, 根据数据手册的推荐确定焊盘尺寸, 如附件 2, 图 2 所示 ( 我们称之为 ) 用于内部负载寿命测试的 PCB 是在自然空气对流和强制空气对流 ( 速度 :1 m/s) 的条件下测试的 ( 这里称作 (Nat) 和 (1 m/s)) Rthja 和 Rthspa 值, 即使在自然对流的情况下, 也比数据表中所提供的数值低, 更多的反映出设计者在一个标准配置中所出现的数值当然, 强制空气对流将提高热传导并降低 Rthja 和 Rthspa Rth spa (1 m/s) 负载寿命,PCB Rth ja Rth spa Rth ja (Nat) 通用 PCB Rth spa 放大的终端 Rth jsp 对于最理想的情况, 我们假定采用具有 7µm 铜涂层, 且两面的覆盖面积都超过 8% 的双面 PCB 推荐用接地层和热通孔来配置 PCB, 但却不必要获得表格中所显示的 Rth 值 ( 我称它们为 ) 对于我们的通用 PCB ( 见附件 2, 图 3), 不考虑电阻器尺寸, 我们取得了相关的 Rthspa 这是因为焊盘过大, 每个位置的铜总量却没有按照元件的尺寸进行改变对于一些特殊的和非常严格的功耗要求, 可以利用带有放大终端的贴片电阻来降低 Rthjsp; 它们焊接在大而且厚的用作散热器的铜层上 ( 见附件 2, 图 4) 在表 1 中显示出了大尺寸终端的 Rthjsp 值其它尺寸的值可以由计算轻松得出我们还要注意, 对于非常特殊的应用, 需要保护 AIN 应用而非 Al2O3, 尤其是当芯片安装在一个调节温度的散热器上时 D. 降额的新方法首先, 很重要的一点是了解在现有的表面安装贴片电阻器降额曲线上都包含了哪些信息 Pn 表示额定功耗, 它是所指定的最大功耗, 可以在低于 7 C 的外部环境下应用在部件上元件所能承受的最大工作温度, 通常为 155 C, 这是军事应用所必须的降低的功耗允许外部环境高于 7 C, 以及最低最大工作温度 Document Number: Revision: 29-Oct-9 3

4 所有的降额曲线都是基本热公式的反映 : T c = T a + Rth Pd T c = 受控温度 T a = 环境温度 Pd = 所允许的最大功耗 Rth = 在 Tc 的温度和环境中, 点 C 间的电阻可以写成 : Pd = (T c - T a )/Rth 这里给出了在给定的环境温度 Ta 和由 Rth 表示的特定热路径下, 可允许的最大功耗 Pd 这就是降额曲线, 一条直线, 加上一个斜坡 ( 等于 - 1/Rth), 在 7 C 是产生变化 P 斜坡 1/Rth P d 7 C T a T c T APPL ICATION NOTE 关于这个降额曲线有多种理解首先就是画图的方式有时, 营销工程师采用 Pn 的值, 通过基准测试获得 ; 最严格的操作温度可达到 155 C 的军用温度在此基础上, 画一条 Pn 从 7 C 至 155 C 的曲线但遗憾的是, 这个斜度并不是真实条件的反映值得庆幸的是, 在多数的应用中, 组装元件的实际 Rth 值比以这种方式所画出的降额曲线中所获得的更低, 而最负面的结果是在设计中未能实现元件所有的性能然而, 新型应用越来越要求小型化, 这时这种方法就不可行了典型的元件设计工程师在最坏的组装条件下画出降额曲线, 这就降低了风险问题, 但是也就意味着没有对元件的应用进行优化所担心的第二个误解是使用降额曲线的方法假设 7 C 下 Pn 的值是一个常数, 而对于温度低于 7 C 可以消耗更高的功率,Pd > Pn 我们可以从延续的直线, 降到实际的环境温度 Ta, 轻松获得 Pd 第三种误解是有关通过提升热路径来提高 Pd 可能性的问题很显然, 如果我们设计一个热路径, 其 Rth 低于降额曲线中的值, 在 7 C 下, 很可能获得高于 Pn 的 Pd 值它遇到最小化的电子组装情况时, 这一点尤其重要 Document Number: Revision: 29-Oct-9,

5 Application Note E. 理解热路径采用热仿真软件进行工作的 PCB 设计者能够利用他们的数据开始工作这样的仿真可以为 Rthspa 提供一个值, 允许设计者控制焊盘的温度, 也就是结点的温度 (3) T sp = T a + Rth spa x Pd 正好我们将看到的那样,Tsp 是在控制下所获得的最重要的参数利用 SnPb 焊接合金和 FR4 板材料, 推荐的最大 Tsp 是 11 C 对于 SnAg 焊接合金和特殊的 PCB, 最高温度可以大致增加到 15 C, 但是却没有关于 SnAg 焊接点的足够资料来使其成为一般性的规则我们确切知道的是 Ta 越高, 所能应用的功率越小因此利用给定的 Ta < Tsp( 最大值 ), 我们可以得到所允许的功耗 (4) P = (T sp max. - T a )/Rth spa 这是关系到焊盘的降额曲线的等式为了从贴片电阻器中获得最佳性能, 还应该将 Tj 保持低于 155 C 这是威世数据手册中所指定的最高温度, 但我们已经具有可以针对更高应用的特殊器件, 能够将 Tj 提高到 2 C 甚至更高 (5) T j = T a + Rth jsp x Pd + Rth spa x Pd 根据给定的 Ta < Tj ( 最大值 ), 我们可以得到所允许的功耗 (6) P = (T j max. - T a )/(Rth jsp + Rth spa ) 这是关系列结点儿电阻层降额曲线的等式远在检测到欧姆值的任何大幅度漂移前, 便可以看到焊盘或 / 和 PCB 材料过热的标志, 这就意味着需要优先控制 Tsp 这也与热模型所展示的相一致对于我们正在处理的 Pd 和 Rthjs 结合, 结点和焊盘之间的热梯度应低于 2 C 由于威世电阻的设计是在高达 175 C 的温度下仍能良好运行的, 因此 Tj 并没有给出限制我们将发行一个专门面向 2 C 应用的特别数据手册因此, 对于 2 C 以外的应用, 要求特定的组装, 我们将关注由 Tsp( 最大值 ) 的限制对于不同的芯片尺寸, 我们可以根据等式 (4) 和表 1 中的数据画出降额曲线, 前面我们已经讨论了三类 PCB 配置, 即, 和这类曲线 ( 或从基本热模型得出的工作表中获得的简单计算 ) 可能对于那些不准备进行精确热管理所需的分析的 PCB 设计者有用当 Tsp max. = 155 C ( 等于 Tj max.) 和 Tsp max. = 125 C. 时, 让我们分别考虑其结果 E.1 T sp max. = 155 C 对于军事应用, 组装和焊接点可以承受 155 C 的温度, 这是最高工作温度我们已经提供了符合最标准尺寸的曲线 ( 和 21), 其它的曲线可以利用降额等式 (4) 和 (6) 画出在附件 1 中的图表中, 我们可以看到 : 数据手册降额曲线面向, 和 Mcu, 与 Tsp 相关的降额曲线等式和相关的曲线允许进行一些有趣的观察对于尺寸和 126, 甚至更糟情况下的 PCB, sp 降额曲线超过了数据手册中所提供的数值 ; 这就意味着可以采用被数据手册中制定的 Pd 更高的数值事实上,7 C 温度下的 Pd 还可以分别提高到 62 mw,23 mw 和 425 mw 对于尺寸 21, 为了在 1W 功率下实现 Tsp < 155 C, 应该使用如果需要把 P21 安装在上, 在 7 C 下的 Pd 应该降低到.66W 采用 PCB, 采用的功率会比 Pn 高很多 Document Number: Revision: 29-Oct-9 5

6 E.2 T sp max. = 125 C 多样化的应用需要元件具有 125 C 的最高工作温度通过前面的 Tsp = 155 C 的曲线, 可以很容易的画出相应的 Tsp = 125 C 降额曲线只需在 3 C 的地方做个转换在这种情况下需要注意的是 : Tsp 降额曲线相对于而言, 其数值在数据手册的数据之下, 这就意味着这个 Tsp 降额曲线使对于其他型号都适用对于尺寸和 21, 在 7 C 下的 Pd 必须分别降低至 13mW 132mW 和 39mW 与相关的 Tsp 降额曲线, 对于尺寸和 126, 其数值或高于或低于数据手册的数值横跨温度分别为 115 C 113 C 和 11 C 在横跨温度上, 因该使用 Tsp 降额曲线 ; 在这个温度之下, 也可以使用相同的曲线对于尺寸 21, 与相关的 Tsp 降额曲线使用于 Ta > 42 C 的条件相对于的 Tsp 降额曲线, 对于尺寸和 21, 其数值或高于或低于数据手册的数值横跨温度分别为 122 C 12 C 和 87 C 在横跨温度之上, 必须采用 Tsp 降额曲线 ; 在这个温度之下, 也可以使用相同的曲线这些曲线的简单转移将给出数据, 与用于 Tsp( 最大值 ) 相关 F. 用于最大芯片尺寸的放大的终端当需要消耗更多的功率时, 那么采用更大的芯片本身就成为一种解决方案? 计算和测量表示出, 情况显然并非如此, 而我们需要将更多的精力放在最大芯片电阻器的热管理上将现有资源进行优化的一种方式是采用扩大的终端和, 更高功耗的 PCB, 如类表 1 显示了 Rthspa. 的主要限制因此, Tsp 降额曲线很容易画出 Pd = (T sp - T a )/(Rth spa + Rth jsp ) 结果是一条直线, 从 Tsp max. 开始, 带有一个大致等于 (- 1/4) W/ C 的斜度 G. 结论 APPL ICATION NOTE 在一个简易但出非常著名的热模型的基础上, 我们显示出 Tsp, 即焊盘的温度, 为了从芯片电阻器和阵列获得最佳性能, 这是需要控制的最重要的温度参数元件设计着旨在 : 提高可允许的最高温度结点 :Tj 降低内部热阻 :Rthjsp 提高内部各层的热稳定性最终,Tsp 常常是限定参数, 因此, 控制 Tsp 的重要性比以往更突出通过 Tsp 控制的热管理是组装设计者的任务为了在这项任务中帮助他们我们在这个应用指南里编译提供了试验数据 Document Number: Revision: 29-Oct-9

7 我们所编辑的重点是 : 1. 如果 Tsp max. = 155 C 是焊接点 PCB 在集成性和稳定性方面是可以接受的, 那么 : 最坏情况下, 在超过数据手册所指定的数值是, PCB 可以在没有降额的情况下使用, 但 P21 器件除外 ( 见曲线图 ) Pd 可能比 Ta = 7 C 的 Pn 值略高对于 Ta < 7 C 的条件, 可以接受更高的 Pd, 并可以从 Tsp 降额曲线中获得在最小限度的标准下 PCU 应该采用 P21 对于更小尺寸的组装, 可以允许对指定数值更高的 Pd PCBs 允许一个更高的 Pd 2. 如果 Tsp max. = 125 C, 应该遵守下面的原则, 以保证焊结点的可靠性 : 对于 PCB, 可以接受 Tsp 降额曲线对于 PCB, 针对 Ta > 11 C 的温度,Tsp 降额曲线应该降低 Pd, 并允许更高的 Pd 用于 Ta < 11 C 的温度条件 ( 对于 P21, 适用 Tsp 降额曲线 ) 对于 PCB, 针对 Ta > 12 C 的温度, Tsp 降额曲线应该降低 Pd, 并允许更高的 Pd 用于 Ta < 12 C 的温度条件 ( 对于 P21, 适用 Tsp 降额曲线 ) 3. 安装在 PCB 上, 放大终端的芯片能够实现更好的功耗, 针对大尺寸芯片, 展现出了一个引人注意的解决方案适用 Tsp 降额曲线, 其 Rthspa 接近 4 C/W Document Number: Revision: 29-Oct-9 7

8 附件 1- 降额曲线 P21 - T sp max. = 155 C P21 - T sp max. = 125 C APPL ICATION NOTE Document Number: Revision: 29-Oct-9

9 Application Note P126 - T sp max. = 155 C P126 - T sp max. = 125 C.4 SCu Document Number: Revision: 29-Oct-9 9

10 P85 - T sp max. = 155 C.2.1 P85 - T sp max. = 125 C.2.1 APPL ICATION NOTE Document Number: Revision: 29-Oct-9

11 Application Note P63 - T sp max. = 155 C P63 - T sp max. = 125 C Document Number: Revision: 29-Oct-9 11

12 附件 2-PCB 配置图片 1 PCB (EN1441) 图片 2 PCB 前视图后视图 APPL ICATION NOTE Document Number: Revision: 29-Oct-9

13 Application Note 图片 3 PCB 前视图后视图图片 4 散热 PCB 放大的终端 Document Number: Revision: 29-Oct-9 13

Application Note Transient Voltage Suppressors (TVS) for 表 1 VISHAY 的 SM6T 系列的电特性 25 C 型号击穿电压器件标识码 V BR AT I T I T 测试电流 (ma) 关态电压 V RM 漏电流 I RM AT V

Application Note Transient Voltage Suppressors (TVS) for 表 1 VISHAY 的 SM6T 系列的电特性 25 C 型号击穿电压器件标识码 V BR AT I T I T 测试电流 (ma) 关态电压 V RM 漏电流 I RM AT V VISHAY GE NERAL SEMICONDUCTOR 瞬态电压抑制器应用笔记用于汽车电子保护的瞬态电压抑制器 (TVS) Soo Man (Sweetman) Kim, Vishay I) TVS 的重要参数 TVS 功率等级 TVS Vishay TVS 10 μs/1000 μs (Bellcore 1089) 1 TVS ESD 8 μs/20 μs 2 1 10 µs 10 µs/1000