eng
Сегодня в автомобильной электронике наблюдается тенденция усложнения изделий при одновременном уменьшении их размеров. Это стимулирует переход к более компактным компонентам – от реле к МОП-транзисторам, от транзисторов в обычных корпусах TO220, ставших классическими, к транзисторам в корпусах D2PAK и DPAK с возможностью поверхностного монтажа. Следующим этапом миниатюризации мощных транзисторов стал корпус LFPAK (Loss Free PAC), который дает значительную экономию площади печатной платы по сравнению с доступными ранее типами корпусов.
Стоит отметить, что МОП-транзисторы в автомобильной электронике не являются идеальными переключателями, поскольку обладают сопротивлением во включенном состоянии – RDS(on). Также их нельзя признать абсолютно надежными. Поэтому разработчикам следует понимать, что при полностью открытом канале МОП-транзистор будет рассеивать мощность, образующуюся вследствие нагрева его проходящим током P = I2 · RDS(on). Нагрев кристалла снижает надежность (а именно – MTBF), а слишком высокая температура приводит к его повреждению или полному разрушению. Поэтому при проектировании устройств с МОП-транзисторами пристальное внимание уделяют температурному режиму. Особенно это актуально для блоков, размещаемых в моторном отсеке автомобиля, где температура достигает 85°C, а в некоторых местах – и более 100°C. Транзисторы в новых корпусах LFPAK имеют оптимальное сочетание тепловых параметров.
Корпус LFPAK
Чтобы обеспечить работу МОП-транзистора в безопасном тепловом режиме, следует учитывать следующие тепловые характеристики устройств.
Во-первых, рассеиваемую тепловую мощность. Поскольку температура кристалла повышается по мере увеличения рассеиваемой мощности, важно спроектировать устройство таким образом, чтобы минимизировать это рассеивание. Обычно для этой цели применяют транзисторы с низким сопротивлением открытого канала. У МОП-транзисторов фирмы NXP семейства TrenchMOS (изготовлены по технологии, обеспечивающей низкое сопротивление открытого канала исток-сток) в корпусах типа LFPAK величина RDS(on) не превышает 9 мОм (для транзисторов с предельным рабочим напряжением 40 В) и 12 мОм (для транзисторов с предельным рабочим напряжением 55 В).
Во-вторых, тепловое сопротивление корпус-кристалл. Так как современные МОП-транзисторы пока еще, к сожалению, не являются сверхпроводниками, они выделяют некоторое количество тепла, и его надо отводить от кристалла. Применение транзисторов в корпусах с низким тепловым сопротивлением повышает эффективность отвода тепла от кристалла.
Фирма NXP выпускает несколько линеек транзисторов в корпусах для поверхностного монтажа, которые, благодаря низкому тепловому сопротивлению корпус-кристалл, считаются оптимальным решением для современной автомобильной электроники. К ним относятся широко распространенные корпуса DPAK, выпускаемые на протяжении ряда лет. На смену им пришел корпус LFPAK, по структуре аналогичный корпусу DPAK. Корпус LFPAK имеет такое же тепловое сопротивление, но более эффективно использует место на печатной плате (рис.1).
Хотя корпус DPAK занимает на печатной плате примерно на 60% больше места, чем корпус LFPAK, размер помещающихся в них чипов фактически одинаков. Вследствие этого устройства с корпусами обоих типов имеют сходные показатели RDS(on) (в том числе показатели рассеиваемой мощности) с тем лишь отличием, что корпус LFPAK занимает меньше места на печатной плате. Необходимо отметить, что корпус LFPAK полностью соответствует строгим требованиям стандарта AEC Q101, действующего в автомобильной электронике.
Стандартная схемотехника
В большинстве современных электронных устройств используются корпуса для поверхностного монтажа, даже когда рассеиваемая мощность превышает несколько ватт. В этом случае сама печатная плата, к которой они припаяны, служит теплоотводом. Печатная плата чаще всего представляет собой многослойную конструкцию, удовлетворяющую требованиям тепловой нагрузки и электромагнитной совместимости. Рассмотрим случай, когда мощные МОП-транзисторы работают в качестве коммутаторов заземленной нагрузки (рис.2). Сток транзистора подключается к источнику питания Uпит). Чтобы удовлетворить требования по максимально допустимому току, шина Uпит чаще всего имеет вид полигона большой площади.
Часть принципиальной схемы коммутатора и конструкции печатной платы показаны на рис.2. Сток N-канального МОП-транзистора находится на основании для монтажа, которое является частью корпуса, непосредственно припаянного к печатной плате. Транзистор припаян к верхнему слою печатной платы и занимает при этом минимальную площадь. Электрически он подключен к цепи Uпит через сквозные переходные отверстия, которые обеспечивают хороший теплоотвод от основания корпуса на нижний слой платы (и далее в окружающую среду). Иногда для дополнительного теплоотвода печатную плату прикрепляют к внешнему корпусу устройства с помощью термоклея или аналогичного материала. При такой конструкции печатной платы нижний ее слой используется для отвода тепла, и на верхнем слое освобождается место под компоненты и проводящие дорожки. В случае нескольких МОП-транзисторов, подключенных к одной шине питания Uпит, печатная плата может служить общим теплоотводом.
Сравнение тепловых характеристик корпусов LFPAK и DPAK
Для сравнения тепловых характеристик корпусов LFPAK и DPAK было проведено несколько имитаций тепловых условий с помощью специализированного пакета для теплового анализа, разработанного NXP, и предварительно откалиброванных моделей устройств (рис.3).
Верхний слой минимальной площади выделен зеленым цветом. Сквозные переходные отверстия (одинаковые для обоих устройств) скрыты под корпусами, а слой Uпит находится на нижней стороне печатных плат. В обоих случаях размеры печатной платы составляют 30 ×30 ×1,6 мм. Проводилось моделирование для показателей рассеиваемой мощности на транзисторе, равных 0,5; 1 и 1,5 Вт, в результате которого были получены температуры перехода (см. таблицу). Температура окружающей среды во всех случаях составляла 80°C.
Результаты моделирования показывают минимальную разницу между тепловыми характеристиками этих корпусов, что и подтверждено близкими значениями температуры перехода в таблице.
В заключение надо отметить, что при переходе к корпусам меньшего размера необходимо следить за тем, чтобы температура транзистора не превышала максимально допустимую. В частности, это имеет большое значение для автомобильной электроники, где высока вероятность повышенных тепловых нагрузок. МОП-транзисторы, используемые в этих условиях, обычно применяются в корпусах для поверхностного монтажа, которые монтируются на многослойной печатной плате. Эффективное охлаждение при этом реализуется за счет переходных отверстий, обеспечивающих отвод тепла. Как показывают испытания, чтобы минимизировать площадь, занимаемую МОП-транзисторами на верхнем слое печатной платы и сохранить при этом тепловые характеристики системы, целесообразно использовать корпуса LFPAK вместо широко применяемых DPAK.
Корпус LFPAK
Чтобы обеспечить работу МОП-транзистора в безопасном тепловом режиме, следует учитывать следующие тепловые характеристики устройств.
Во-первых, рассеиваемую тепловую мощность. Поскольку температура кристалла повышается по мере увеличения рассеиваемой мощности, важно спроектировать устройство таким образом, чтобы минимизировать это рассеивание. Обычно для этой цели применяют транзисторы с низким сопротивлением открытого канала. У МОП-транзисторов фирмы NXP семейства TrenchMOS (изготовлены по технологии, обеспечивающей низкое сопротивление открытого канала исток-сток) в корпусах типа LFPAK величина RDS(on) не превышает 9 мОм (для транзисторов с предельным рабочим напряжением 40 В) и 12 мОм (для транзисторов с предельным рабочим напряжением 55 В).
Во-вторых, тепловое сопротивление корпус-кристалл. Так как современные МОП-транзисторы пока еще, к сожалению, не являются сверхпроводниками, они выделяют некоторое количество тепла, и его надо отводить от кристалла. Применение транзисторов в корпусах с низким тепловым сопротивлением повышает эффективность отвода тепла от кристалла.
Фирма NXP выпускает несколько линеек транзисторов в корпусах для поверхностного монтажа, которые, благодаря низкому тепловому сопротивлению корпус-кристалл, считаются оптимальным решением для современной автомобильной электроники. К ним относятся широко распространенные корпуса DPAK, выпускаемые на протяжении ряда лет. На смену им пришел корпус LFPAK, по структуре аналогичный корпусу DPAK. Корпус LFPAK имеет такое же тепловое сопротивление, но более эффективно использует место на печатной плате (рис.1).
Рис.1. Корпуса DPAK (а) и LFPAK (б)
Хотя корпус DPAK занимает на печатной плате примерно на 60% больше места, чем корпус LFPAK, размер помещающихся в них чипов фактически одинаков. Вследствие этого устройства с корпусами обоих типов имеют сходные показатели RDS(on) (в том числе показатели рассеиваемой мощности) с тем лишь отличием, что корпус LFPAK занимает меньше места на печатной плате. Необходимо отметить, что корпус LFPAK полностью соответствует строгим требованиям стандарта AEC Q101, действующего в автомобильной электронике.
Стандартная схемотехника
В большинстве современных электронных устройств используются корпуса для поверхностного монтажа, даже когда рассеиваемая мощность превышает несколько ватт. В этом случае сама печатная плата, к которой они припаяны, служит теплоотводом. Печатная плата чаще всего представляет собой многослойную конструкцию, удовлетворяющую требованиям тепловой нагрузки и электромагнитной совместимости. Рассмотрим случай, когда мощные МОП-транзисторы работают в качестве коммутаторов заземленной нагрузки (рис.2). Сток транзистора подключается к источнику питания Uпит). Чтобы удовлетворить требования по максимально допустимому току, шина Uпит чаще всего имеет вид полигона большой площади.
Рис.2. Мощный МОП-транзистор – коммутатор заземленной нагрузки (а) и возможная конфигурация печатной платы
Часть принципиальной схемы коммутатора и конструкции печатной платы показаны на рис.2. Сток N-канального МОП-транзистора находится на основании для монтажа, которое является частью корпуса, непосредственно припаянного к печатной плате. Транзистор припаян к верхнему слою печатной платы и занимает при этом минимальную площадь. Электрически он подключен к цепи Uпит через сквозные переходные отверстия, которые обеспечивают хороший теплоотвод от основания корпуса на нижний слой платы (и далее в окружающую среду). Иногда для дополнительного теплоотвода печатную плату прикрепляют к внешнему корпусу устройства с помощью термоклея или аналогичного материала. При такой конструкции печатной платы нижний ее слой используется для отвода тепла, и на верхнем слое освобождается место под компоненты и проводящие дорожки. В случае нескольких МОП-транзисторов, подключенных к одной шине питания Uпит, печатная плата может служить общим теплоотводом.
Сравнение тепловых характеристик корпусов LFPAK и DPAK
Для сравнения тепловых характеристик корпусов LFPAK и DPAK было проведено несколько имитаций тепловых условий с помощью специализированного пакета для теплового анализа, разработанного NXP, и предварительно откалиброванных моделей устройств (рис.3).
Рис.3. Симуляционные модели для корпусов DPAK (а) и LFPAK (б)
Верхний слой минимальной площади выделен зеленым цветом. Сквозные переходные отверстия (одинаковые для обоих устройств) скрыты под корпусами, а слой Uпит находится на нижней стороне печатных плат. В обоих случаях размеры печатной платы составляют 30 ×30 ×1,6 мм. Проводилось моделирование для показателей рассеиваемой мощности на транзисторе, равных 0,5; 1 и 1,5 Вт, в результате которого были получены температуры перехода (см. таблицу). Температура окружающей среды во всех случаях составляла 80°C.
Результаты моделирования показывают минимальную разницу между тепловыми характеристиками этих корпусов, что и подтверждено близкими значениями температуры перехода в таблице.
В заключение надо отметить, что при переходе к корпусам меньшего размера необходимо следить за тем, чтобы температура транзистора не превышала максимально допустимую. В частности, это имеет большое значение для автомобильной электроники, где высока вероятность повышенных тепловых нагрузок. МОП-транзисторы, используемые в этих условиях, обычно применяются в корпусах для поверхностного монтажа, которые монтируются на многослойной печатной плате. Эффективное охлаждение при этом реализуется за счет переходных отверстий, обеспечивающих отвод тепла. Как показывают испытания, чтобы минимизировать площадь, занимаемую МОП-транзисторами на верхнем слое печатной платы и сохранить при этом тепловые характеристики системы, целесообразно использовать корпуса LFPAK вместо широко применяемых DPAK.
Отзывы читателей
