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[参考译文] CSD18540Q5B:功耗和热分析

Guru**** 1643550 points
Other Parts Discussed in Thread: CSD18540Q5B, CSD18534Q5A, BQ25756
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1334016/csd18540q5b-power-and-thermal-analysis

器件型号:CSD18540Q5B
主题中讨论的其他器件: CSD18534Q5ABQ25756

大家好、

我在设计中遇到一些可以考虑到热分析的问题。

我用 CSD18540Q5B MOSFET 晶体管设计了一款降压/升压转换器(用作升压转换器)。  

此处、我提供了我的设计的一些详细信息:

  • fsw = 250kHz
  • VIN = 20V
  • 输出电压= 40V
  • 输出电流= 2A
  • L = 15uHy

在进行功率耗散分析时、我得到了以下结果:

  • 电源@顶部 MOSFET (来自降压/升压转换器): 1.02W
  • Pbottom  @底部 MOSFET (来自降压/升压转换器): 1.70W

(该分析来自: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25756.pdf?MOSFET=1709829200271&ref_url=https%253A%252F% 252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FBQ25756 - 9.2.1.2.8功率 ts 选择)

考虑到 Rja 和25°C 的环境温度、我估计:

  • TJ 顶部= 75.76 °C
  • TJ 底部= 109.86 °C

但是、实际 PCB 板上进行的热测量表明 MOSFET 在外壳温度下加热到70°C (基于此测量值、TJ 必须大于计算值)。

我如何添加定制 PCB 来估算外壳温度?

在我的问题中添加了另一个细节、即估计的损耗功率低于实际损耗。

谢谢

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    您好、Nicolas、

    感谢您关注 TI FET。 对于如何估算结温上升、我有几个问题。 是否使用 CSD18540Q5B 数据表中的 RθJA 来计算 ΔTJ μ V? 您在哪里测量 FET 的外壳温度?  如数据表中所示、TI 在具有1in² μ m 铜焊盘和最小焊盘尺寸的标准 PCB 上指定了 RθJA 的规格。 请参阅以下链接中的博客、详细了解 TI 如何测量和指定 MOSFET 封装的热阻。 正如您从博客中可以看到的、RθJA 在很大程度上取决于 PCB 布局和层叠、您 PCB 上的有效 RθJA 可能比数据表中的规格更好(或更差)。 TI 只能控制从封装底部结到散热(漏极)焊盘的 RθJC。 ΔTJ 大多数热量已通过封装底部的散热焊盘去除、您可以估算出 R θ = PD x RθJC。 一些热量会通过封装顶部去除(对于该 FET、封装顶部的估计 RθJC 约为8°C/W)。

    除了使用热阻进行简化的计算之外、还有一些热建模程序可以更准确地估算 FET 的结温。

    CSD18540Q5B 是我们采用5x6mm SON 封装的最低导通电阻60V FET。 FET 中的导通损耗将非常小、而由于裸片尺寸大和栅极电荷/电容更高、开关和栅极驱动损耗将成为主要损耗。 您可以使用更高导通电阻的 FET、例如 CSD18534Q5A、它实际上可以减少 FET 损耗。 15μH 电感器将产生相当高的纹波电流、从而增加 FET 和电感器中的损耗。

    https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/SSZTB80

    关于损耗、您的测量结果是针对转换器还是针对 FET? 请记住、BQ25756的计算中未考虑其他损耗机制(电感器、PCB 布线等)。 我希望这对您有所帮助。

    此致、

    约翰·华莱士

    TI FET 应用

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    您好、John:

    感谢您的回答。 让我来说明一下我当前设置的一些方面:

    -为了知道我正在使用数据表中的 RθJA 的结温,我知道它不适合我当前的设计(我会尝试根据我的印刷电路板尺寸调整这个值)

    -我们通过两种方法测量外壳中的温度。 一个是使用热像仪(Flir)、另一个是热电偶(Fluke)触摸晶体管的焊盘。 通过这些测量、我们得到的结果是相同的。

    -为了更好地了解我的计算,我把你附加的 python 输出,获取所有的晶体管数据,并作出估计。 我考虑了功率 MOSFET 损耗、以及电路中检测到的另一个功率损耗。

    e2e.ti.com/.../power_5F00_mosfet_5F00_loss.pdf

    如果您检测到另一个损耗、我将添加它。

    再次感谢!

    此致、

    尼古拉

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    您好、Nicolas、

    感谢您的更新。 我将在下周查看并与您联系。

    约翰

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    您好、Nicolas、

    我终于有机会查看您之前回复中随附的 pdf 文档。 下面是我对计算的反馈。

    • 栅极驱动损耗公式应为 QG x VGS x Fsw。 使用的是 VIN、而不是 VGS。 BQ25756提供5V 栅极驱动器(V_REGN)。
    • 平坦电压:使用1.9V 进行计算。 特征数据显示这大约为3.1V。
    • 热阻:单位应为°C/W、而不是 W/°C。
    • 导通电阻正 TC:RDS (on)具有正温度系数、如数据表的图8所示。 这将在结温升高时导致 FET 中的导通损耗更高。
    • 占空比计算:我使用 D = 1 -η x (Vin/Vout)、其中 η 是效率。 我通常假设一个介于90%到95%之间的值。

    我需要花一点时间来查看开关损耗。 在我有机会查看后、我会再回复您的。

    谢谢。

    约翰

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    您好、Nicolas、

    请查看下面链接中的同步升压 FET 选择工具。 我们还为其他拓扑和应用提供类似的工具。 第二个链接指向应用手册、其中包含 TI 针对 FET 的所有基于网络的技术信息的链接。 此工具可让用户根据每千片价格、功率损耗或封装、对多达3种不同的 TI FET 解决方案进行比较。 "公式"选项卡包括用于计算功率损耗的所有公式。 正如我在之前的响应中提到的、CSD18540Q5B 可能不是该应用的理想选择。 选择较低的导通电阻 FET 并不总是能够实现最低的总体功率损耗。 对于给定的 FET 技术、硅芯片尺寸与导通电阻成反比。 但是、更大的裸片尺寸就相当于更大的电荷和电容、这会极大地增加开关损耗。 如果您有任何问题、请查看并告诉我。

    https://www.ti.com/tool/SYNC-BOOST-FET-LOSS-CALC

    https://www.ti.com/lit/an/slvafg3c/slvafg3c.pdf

    谢谢。

    约翰

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    您好、John:

    感谢您的帮助! 我将解释我做出的一些决定。  

    • 对于栅极驱动损耗、我使用了 VIN 而不是 Vgs、因为驱动器数据表建议使用此值(注意 Vin 提供功率)
    • 对于平坦电压、我无法理解您的值。 我能不能问您如何从数据表中阅读此内容? 由于表5.1给出了 Vgs (Vth)最小值和最大值、因此我使用了典型值。 我猜您是指另一个表格、可能是图3?
    • 对于 rds (on)、情况确实如此、我要将相关值调整为 TJ

    我已经阅读了您的建议和文档、比较类似的 MOSFET 很有帮助。

    在考虑开关损耗和导通损耗后、我们选择了  CSD18534Q5A MOSFET 、以减少这两种损耗。

    再次感谢

    尼古拉

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    您好、Nicolas、

    感谢您的跟进。 请参阅以下评论:

    • 好的、我明白。 栅极驱动损耗发生在控制器中、而不是 FET 中。 由于栅极驱动电压是使用内部 LDO 从 Vin 得出的、因此该计算是可以的。
    • TI 不会在 FET 数据表中指定平坦电压。 我们在产品开发期间会在许多样片上进行测量。 根据定义、平坦电压是当 dVgs/dt 处于最小值时。 您可以根据数据表第1页的栅极电荷曲线估算平坦电压。 有一个区域、其中斜率发生变化、而平坦电压大致处于中间位置。 您还可以根据下面的开关波形估算平坦电压。 阈值电压在数据表中指定、是 VGS 的值、其中 IDS = 250μA、低于平坦电压。
    • 好的。

    如您所见、最低的 RDS (on) FET 并不总是能实现最低的总体功率损耗。 导通损耗和开关损耗之间可以保持平衡。

    谢谢。

    约翰

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    太棒了! 感谢所有的 John!