---功率密度日益增加的发展趋势要求人们对热传递给予更高的关注，设计师必须想方设法实现足够的散热，以确保电路元件的温度不超过规定的温度极限值。
---在众多可用的热设计工具中，最为重要的一个便是被称为“结点至环境热阻”的参数θJA。本文将说明θJA的测量方法，并简述针对工作于静止空气中的电路的热设计程序。其首要之处是一种原型设计技术，该技术允许在芯片处于工作状态时对其结温进行直接测量。本文通篇均以采用了MAX1811线性电池充电器的电路作为实例来进行阐述。 结温和热阻的基本知识
 ---如需维持一个系统的性能和可靠性[1]，则必须确保芯片的结温不会超过其允许的最大值，因此热设计的首要目标便是限制芯片的结温。厂商通常在产品的数据表中给出芯片结温的最大值，例如，MAX1811的最高硅片温度为150℃，工作温度为-40～+85℃，存储温度为 -65～+150℃，引脚温度(焊接时间为10秒)为+300℃，在环境温度为70℃时的连续功耗为1.4W，功耗降额因子为17.5mW/℃。
---芯片结温难以直接测量，原因是其封装使得无法接触到结点。作为一种替代方案，可以利用结点至外壳热阻θJC和外壳至环境热阻θCA来计算结温，如图1所示。热阻是确定芯片结温的最为重要的参数，θJA =θJC+θCA。
---未提供θJA参数的制造商可能会提供θJA的倒数，它是功耗降额因子。例如，MAX1811的功耗降额因子为17.5mW/℃，17.5mW/℃的倒数是 57℃/W，即θJA为57℃/W。如果把温度看作电压而将功率看作电流，则图1中的热学模型就类似于欧姆定律，V=I*R(欧姆定律)，T=P*θ((热学模型)。下面以MAX1811为例，计算在30℃的环境温度中耗散1W(PD)功率时的结温TJ。
---TJ=PD·(θJC+θCA)+TA
---TJ=1W×57℃/W+30℃=87℃
---为了更好地理解图1所示的热学模型，不妨来看一下θJC和θCA实际上代表什么。θJC是从诸如硅片尺寸、引线框架和外壳材料等芯片封装特性推导出来的，这些特性是不会改变的[2]。而 θCA则与诸如强迫通风冷却、封装的安装形式、走线宽度以及外部散热器等外部变量直接相关。因此，θCA代表的是从芯片(封装和安装)至外部空气的传热通路。
---在计算电子系统的传热通路时，必须考虑该通路中的材料的导热系数。导热系数是衡量材料导热能力的指标，表1是常用材料的导热系数。热传导主要是通过系统的金属部分进行的，塑料(环氧树脂)部分对传热通路的影响微乎其微。
---由于θCA取决于外部变量，而θJA会随其环境的变化而发生改变，因此，制造商们通过在θJA的测量过程中保持标准测试条件的方法来确保获得准确且有意义的数据[3]。这些标准测试条件在多篇由电子工业联合会(EIA)和JEDEC固态技术协会编制的JESD51文件中都有说明，所有这些文件均可从www.jedec.org网站免费下载。由制造商提供并按照JESD51进行测量的θJA参数可被用来对采用相同电子封装的不同器件以及采用不同电子封装的相似器件的热学特性进行比较[4]。以一款采用不同封装的扬声器驱动器MAX4366的热性能为例，采用8引脚SOT23封装时，MAX4366的θJA为103℃/W;采用8引脚扁薄QFN封装时，MAX4366的θJA为41℃/W。显然，在把热量传导至远离MAX4366的地方这一点上，8引脚扁薄QFN封装要比8引脚SOT23封装胜出一筹。对于采用8引脚扁薄QFN封装并工作于JEDEC51标准环境中的MAX4366，可以估算出芯片每耗散1W功率，其结温将在环境温度的基础上升高41℃。
---在采用制造商所规定的θJA值来估算结温时必须谨慎，因为具体应用与制造商的测试环境之间的任何差异都将产生相去甚远的θJA值。例如，若制造商遵照JESD51标准并在器件工作于1立方英尺的静止空气中的条件下测量θJA，则该参数值将无法对工作于移动电话中(此时的静止空气量非常有限)的相同器件的热性能做出准确的预测。 在应用中测量热阻
---由于θJA取决于设计中的布局和其他物理因素，因此采用JESD51标准所确定的θJA值可能并不适用某种特定的应用。如前文所提到的那样，标准的JESD51环境是一立方英尺的静止空气且器件被安装在一块较大的标准印刷电路板上，这与目前许多应用的工作条件大相径庭。PDA、笔记本电脑、移动电话和数码相机等都把许多芯片安装在了位于很小外壳中的小面积电路板上。对于原型设计，可通过直接测量θJA来保证与芯片的绝对最大额定值的一致性，即使在要求苛刻的特定应用环境中亦不例外。由于下文概要介绍的程序会使器件承受过大的应力，因此应将其视作一种原型设计工具，建议不要把它用于器件的生产。
---在θJA的测量中需要三个参数：
---θJA=(TJ-TA)/PD，
---式中的PD为芯片的功耗，TA为环境温度，TJ为芯片的结温。PD和TA容易测得，但TJ的测量并不容易，因为芯片的封装使得无法够到内部结点。不过，可以通过将一个现有的片上二极管作为温度检测元件的方法来测量TJ。大多数芯片都内置了一个用于提供静电放电(ESD)保护的二极管，该二极管同样适合用作温度检测元件。 温度检测ESD二极管位置的确定和特性分析
---为了确定一个芯片的结温，需要一个用于计算ESD二极管工作特性与温度之间相互关系的公式。该二极管计算公式的获得分4个步骤，然后就能够利用该公式来计算作为ESD二极管正向电压的函数的TJ。
 ---第1步是在芯片内部找出一个合适的ESD二极管。首先，需要找出一个能够在芯片处于工作状态的情况下被施加正向偏压的内部ESD二极管。某些芯片可能没有适合于测量结温的ESD二极管，但有些数据表明确指示了内部ESD二极管的位置(图6给出的MAX1169数据表即为一例)。另外，根据芯片的绝对最大额定值表来推断ESD二极管的位置也是一个有效的办法。
---在利用绝对最大额定值来确定ESD二极管位置的过程中，有一条很有用的线索，就是“0.3V”这个数字，它是一个二极管在工作于其最大结温(对于Maxim公司的器件而言通常为150℃)条件下时的正向电压。表2列出了MAX1811部分管脚电压的绝对最大额定值，包括了三个暗指ESD二极管位置的“0.3V”。由图2可见，IN、BATT、SELI、CHG、EN和SELV引脚均包括ESD二极管，它们将这些引脚上的电压箝位于地电位以下不超过一个二极管压降的电平上。SELV引脚还包括一个将其电压箝位于VIN之上不超过一个二极管压降的二极管。
---为了正确理解绝对最大额定值，且所考虑的ESD二极管适于用作温度检测元件，需要采用一个置于“二极管检查”模式的标准万用表来对这些二极管进行测试。那些能够将数字输入箝位于GND的ESD二极管非常适合用作温度检测元件。
---第2步是对二极管的温度性能进行特性分析。当找出了一个合适的ESD二极管之后，必须对其温度性能进行特性分析。为了获得精确的测量结果，应当(最好)对每个元件单独进行特性分析，但是如果必须测量的元件很多，则通常的做法是抽取其中的10～12个进行特性分析，并取相关数据的平均值，以作为整批元件的测试结果[5]。这样，器件与器件之间的任何失配均是由于二极管特性的离散(理想因子)所致。当测试大量的器件时，该因子将最终决定温度测量的准确与否。
 ---MAX1811的ESD二极管的特性分析曲线如图3所示，是从布设于SELV和GND引脚之间的二极管获得的，该曲线表明正向二极管电压会随着温度的上升而下降。被测试的器件(这里是MAX1811)必须是未加电的，并将所有的引脚浮置(用于连接温度检测元件的引脚除外)，通过在器件未加电的情况下对ESD二极管进行特性分析并在获取测量结果之前让温度先稳定下来的方法，就可以确保环境温度与结温相等。由于DUT中的功耗极低(仅产生自二极管)，因此不存在自发热现象。于是，二极管温度与环境温度相等，如图4所示。
 ---如图4所示，ESD二极管是由一个电流源来激励的。决定激励电流大小的因素有好几个。它应当足够大，以便忽略噪声和二极管漏电流的影响(对于大多数器件来说，这意味着激励电流应大于50nA)。它必须足够小以便与器件的绝对最大额定值相符(对于Maxim的器件而言，这往往意味着激励电流应小于2mA)。为了避免影响器件的性能，激励电流还应当足够小。该极限值可以通过试验来获得，方法是在使电流流过ESD二极管的同时监视器件的重要特性。就MAX1811而言，大于3μA的电流将使其充电电流增加至正常工作条件以外。激励电流应足够小，以避免产生严重的自发热。但是，由于设定了上述的2mA最大限值，所以这种现象通常不会发生。MAX1811的校准曲线是在1nA至1000nA的激励电流条件下获得的。MAX1811 ESD二极管的校准曲线(图3)表明，对于一个给定的正向电流，正向电压将随着温度的上升而下降。
---第3步是获得一个测试曲线以校验特征化数据。第2步中的数据是在采用一个未加电器件的情况下获得的。为了确保在DUT加电时不出现重大偏移，测试曲线是在器件处于其最低功耗模式(静态)时被加电的情况下获取的。图5对MAX1811的特征化曲线 (TA=75℃)以及当该器件在其静态模式中被通电的情况下所获得的测试曲线(TA=75℃)进行了对比。当在其静态模式中由5V电源来供电时，MAX1811大约吸收1mA的电流。根据Maxim公司提供的θJA值(57℃/W)，该5W功耗应使结温升至环境温度以上0.3℃。由于图5中的测试曲线显示结温仅略有上升，且曲线形状并未发生重大改变，即二极管的正向电压未发生重大变化，所以校准数据被认为是可靠的。
---第4步是由特征化数据来生成二极管计算公式。既然第3步已经完成了对特征化数据的校验，那么下一步，也是最后一步工作就是生成一个二极管计算公式。图6给出的数据与图3中所示的相同，但是绘制了恒定二极管电流条件下的二极管电压与温度的关系曲线。图6中绘出的直线的斜率为K因子，它显示当正向电流恒定为900nA时，正向二极管电压将下降1.746℃/W。由于该数值(900nA)大到不受噪声或漏电流的影响，并且小到不会给ESD二极管施加应力或引发严重的自发热现象，所以此电流能够充当激励电流。 利用一个内部ESD二极管来测量TJ
---当采用图6的MAX1811二极管计算公式时，MAX1811的结温计算是很简单的。图7是正常工作条件下的应用电路，当环境温度为60℃、激励电流为900nA时，位于SELV和GND引脚之间的ESD二极管的正向电压为233.6mV。利用在第4步中获得的(并示于图6)计算公式，可按以下方法来计算结温。
 ---  (对于900nA的激励电流)。于是， 。将VD值代入，得出：
既然求得了结温TJ，便能够计算特定应用的θJA，公式如下。 ---Maxim公司提供的MAX1811的 θJA为57℃/W，而上面的计算所得出的特定应用中的θJA值则为71.4℃/W，表明导热性显著下降。考虑到JESD51标准所规定的条件和器件测试条件的差异，这种下降是合理的。造成特定应用的 θJA比制造商公布的θJA规格有所下降的主要因素是外壳尺寸、电路板上的铜面积(用于散热)以及暴露于空气之中的电路板表面的面积大小。 MAX1811热控制环路的测试
---为了确保芯片能够将TJ限制在不超过125℃的水平上，可将其功耗增加至充电电流开始被限制为止。触发热控制环路进入工作状态的一组条件是，TA=60℃、VIN=5.5V、VBATT=2.7V。在该工作环境中，MAX1811将其标准的电池充电电流从439mA减小至340mA。
---当热控制环路工作于60℃的环境温度条件下时，位于SELV和GND引脚之间的ESD二极管上的正向电压VD为193.24mV，且激励电流为900nA。利用在第4步中获得的(并示于图6中的)计算公式，可按以下方法计算结温。 ---以上计算证实MAX1811的热控制环路能够将TJ限制在不超过125℃(典型值)的温度上。因为用于获取标准工作数据的MAX1811测试环境与用于测试热控制环路的测试环境相同，所以这两种配置的θJA值是相似的，而且，微小的偏差可以归因于功耗的变化。用于热环路操作的θJA按下式计算。
结论
---如本文所举的实例所示，可以通过将片上ESD二极管用作温度检测元件的方法来针对产品环境进行θJA的测量。试验结果表明，这样测得的θJA值要比在JEDEC51环境的标准条件下所测得的θJA值高14℃/W。在产品环境中测量的θJA还能够为热设计提供一个更加准确的数字，从而通过实现更加有效的散热结构的方法来对系统可靠性提供最佳保障。 | 
