视频滤波器的热管理设计
2008-12-05
作者：David Fry
热管理设计的通用问题和定义
任何半导体器件都会消耗功率释放一定的热量，热量通过三个途径散发出去：封装顶部到空气、封装底部到电路板以及封装引脚到电路板。在MAX11500、MAX11501/MAX11502、MAX11504/MAX11505视频滤波器" title="视频滤波器">视频滤波器中，主要的散热通道是从引脚到电路板。热阻" title="热阻">热阻是表示材料导热性的参数，用希腊字母Θ (theta)表示，是希腊语中表示热的单词Θερμο? (thermos)的第一个字母。
从结到管壳的热阻称为ΘJC，从管壳到周围环境的热阻称为ΘJC，从结到周围环境的热阻称为ΘJA。热模型与电子仿真模型(图1)类似，两个模型都使用了电容。温度类似于电压，而热量类似于电流。电子设计中，如果电流流过电阻就会产生压差。同样，如果热量流经热阻就会产生温差。另外，如果只有短暂的瞬间通过热量，热电容会旁路热量，只会产生很小的温升，物体加热时需要时间。
图1. 通过器件引脚散热的电子仿真
大部分情况下，ΘJC小于ΘCA，CTJC小于CTCA，这个关系可以用下式表示。以下讨论中我们将忽略电容，只研究静态情况，这与视频滤波器的工作状况更接近。通常会使用ΘJA，因为封装是由JEDEC标准、JES51-3或JES51-7中定义的标准PCB规定的。
ΘJA = ΘJC + ΘCA TJ = TA + PD xΘJA
知道封装的" title="封装的">封装的热阻后，可以根据给定的耗散功率和环境温度计算结温。问题是，IC的结温取决于PCB的散热能力，即结到周围环境的实际热阻。
我们可以考虑一个简单例子，如果器件的VCC = 5.0V，吸收电流为100mA。最大" title="最大">最大环境温度为40°C，最大容许结温为150°C。功耗可以表示为：
PD = V x I， PD = 5 x 0.1 = 0.5W
假定ΘJA = 150°C/W，设备必须工作在散热条件良好的40°C环境，结温按下式计算：
TJ = 40 + 0.5 x 150 = +115.5℃
这个温度远远低于最大管芯温度，所以器件不会出现过热问题。这个过程看上去很简单，但实际执行时很复杂。对于小尺寸IC，因为它与PCB布局有关，所以很难确定ΘJA的实际值。
封装规格
以下内容为MAX11501视频滤波驱动器产品数据资料中给出的额定工作范围。
绝对工作范围 ：
VCC至GND......................................................-0.3V至+6V
其它引脚与GND之间.......-0.3V至(VCC + 0.3V)和+6V中的较小电压
连续功耗(TA = +70°C)
8引脚SOIC (降额系数5.9mW/°C，+70°C以上)............470mW
允许进入任何引脚(VCC和GND除外)的最大电流...................±50mA
工作温度范围：
MAX1150xUSA...............................................0°C至+85°C
储存温度范围................... .............................-65°C至+150°C
引脚温度(焊接，10s) .................................................+300°C
结温................... ...................................................+150°C
本讨论中的关键规格是连续耗散功率和结温，最高结温是150°C，最大可耗散功率在70°C环境温度下为470mW，该条件会导致管芯温度达到150°C。因此，我们可以按照下式计算ΘJA：
ΘJA = (TJ – TA)/PD = (150 – 70)/0.47 = 170℃/W
因为ΘJA是降额因子的倒数，很容易验证。
1/170 = 0.00588W/℃
这些数据取自该封装的JEDEC规范。对于Maxim视频滤波器，有三个相关规范：
1.EIA/JESD51-3，含铅、表面贴封装的低效热传导测试板
2.EIA/JESD51-5，封装带有直接导热附件的热测试板标准扩展
3.EIA/JESD51-7，含铅、表面贴封装的高效热传导测试板
MAX11500–MAX11505的封装规格如表1所示。
表1. 视频滤波器封装的热特性参数
型号 单层板 多层板
ΘJA/°C/W ΘJC/°C/W ΘCA/°C/W ΘJA/°C/W ΘJC/°C/W ΘCA/°C/W
MAX11500 170 40 130 136 38 98
MAX11501 170 40 130 136 38 98
MAX11502 170 40 130 136 38 98
MAX11504 180 42 138 113 42 71
MAX11505 180 42 138 113 42 71
实际环境中的视频信号和IC
JEDEC规范详细定义了用来测试器件的标准PCB，这个规范能够按照规定的方式测试器件并进行比较和定义。但实际中，器件不可能安装在与JEDEC定义电路板完全相同、具有同样热特性的电路板上，电路板也不会具有同样的布局。
以下给出了一个典型的电路布局，
引脚4和5连接在一个大面积的覆铜层，它们是电源和地引脚，耗散大部分的能量，器件底部没有散热焊盘。
图2. MAX11501评估板
功耗计算
视频滤波器的功耗来源于静态和信号，静态功耗计算很简单，从数据资料就可以直接得到数据。
MAX11501数据资料标明VCC = 5.0V时，电源电流典型值为18mA，最大值为24mA。因此，静态功耗最大值为120mW。
由信号产生的功耗按照下式定义：
式中:
- Pdo = 通道功耗
- Vorms = 通道输出的rms电压
- Rl = 通道负载电阻
- VCC = 器件电源电压
计算器件的总功耗只需将每个通道的功耗与器件的静态功耗相加。
整个过程看上去很简单，但无法知道RMS输出电压，它与视频信号有关。
最差工作条件下的视频信号
有几种需要考虑的信号：CVBS、Y/C、RGB和YUV。最差工作条件出现在100%白电" title="白电">白电平RGB图像，每个通道需要驱动两倍负载。这是我们将要考虑的信号。
行信号如图3所示。
图3. 视频波形
PAL和NTSC场消隐间隔分别如图4和5所示。
图4. PAL场消隐和场同步脉冲
图5. NTSC场消隐和场同步脉冲，注：NTSC定义最小场消隐周期占19H，但它可以更长
根据上述信息，我们可以计算信号的RMS电压。首先计算PAL制式的情况。行电压的RMS按照下式计算，式中同步头归一化到1V峰值白电平。
VRMS = (5.75 x 0.3 + 52 x 1.0 + 1.55 x 0.3)/64 = 0.847V
该式适用于场消隐周期以外的575行。我们可以用同样的方法计算场消隐间隔内的RMS行电压。计算结果以及最终的RMS值如表2所示。
表2. PAL制式的RMS电压计算
行号 对应行的RMS电压
623 1 0.552
624, 625, 4, 5, 311, 312, 316, 317 8 0.278
1, 2, 314, 315 4 0.044
3 1 0.161
6-22, 318-335 34 0.278
23 1 0.562
313 1 0.161
所有有效行 575 0.847
共计 625
总计RMS 0.800
表3所示为针对NTSC制式的近似计算。
表3. NTSC制式的RMS电压计算
行号 对应行的RMS电压
1, 2, 3, 264, 265 5 0.044
523, 524, 525, 4, 5, 6, 261, 262, 267, 268 10 0.278
7-16, 269-278 20 0.278
260 1 0.557
263 1 0.161
266 1 0.161
所有有效行 487 0.858
共计 525
总计RMS 0.814
如果同步头高于0V，只需简单增加一个偏置，与最终结果相加即可得到总的RMS值。因此，对于PAL制式，总的RMS电压占同步脉冲(峰值白电平加直流偏置)的80%；对于NTSC制式，占81%。大部分工程师实际采用80%。
实际举例
下面考察一个最差工作条件下的例子，将MAX11501三通道视频滤波器用于625行RGB信号。
输入、输出采用直流耦合，输入端峰值白电平为1.4V，这是所容许的最大输入电压。考虑到5%的开销，输入端最大同步脉冲到峰值白电平的电压为1.05V。因此，我们得到的电压如图6所示。
图6. 示例中的输入、输出电压
随后我们可以很容易地计算出典型功耗和最大功耗：
1.计算RMS输出电压
2.计算每通道功耗
3.计算总功耗
VORMSTYP = 0.8 x (2.98 – 0.98) + 0.98 = 2.58 VORMSMAX = 0.8 x (3.08 – 0.95) + 0.95 = 2.65
PDO = (5 – 2.58) x 2.58/75 = 83mW PDO = (5.25 – 2.65) x 2.65/75 = 92mW
PD = 5 x 0.018 + 0.083 + 0.083 = 340mW PD = 5.25 x 0.024 + 0.092 + 0.092 = 402mW
假定我们有一个良好的散热片，可以得到接近理想的散热，可以计算出管芯温度：
TJTYP = 70 + 0.34 x 168 = 127℃ TJMAX = 70 + 0.4 x 168 = 137℃
显然，实际应用中温度不可能达到最大值137°C。但我们可以确定即使是在最差工作条件下，管芯也不会出现过热。
实际测量
对MAX11501评估板进行测量，由于它是一个双层板，所以采用了多层电路板的热参数。ΘJA = 136，ΘJC = 38，ΘCA = 98。电路板放置在静态空气中。
设置
-
VCC = 5.0V
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每个输出端有两个视频负载
-
信号为525行的RGB，所有通道为带同步的100%白电平
理论计算
以下计算假定PCB的热特性指标与封装定义的指标接近。
PD = 0.34W
ΔTJA = PD xΘJA = 0.34 x 136 = 46，预计TJ高于环境温度46°C。
ΔTCA = PD xΘCA = 0.34 x 98 = 33，预计TC高于环境温度46°C。
结果
-
静态电流ICC：18mA
-
接地引脚测试得到的器件温度：63°C
-
环境温度：25°C
计算
下面，我们可以计算系统的ΘJA，从计算结果可以看出我们使用的电路板非常接近定义封装的理想情况。
ΔTCA = 63 – 25 = 38°C ΘCA =ΔTCA / PD = 38/0.34 = 112°C/W
由此可见，我们的PCB效率与理想情况相差甚微。可以针对整个系统使用总的ΘJA值计算管芯温度，假定最高环境温度为70°C。
TJ = TA + PD xΘJA = 70 + 0.34 x 140 = 118°C
结论
从本文计算结果看：最差工作条件下视频信号的RMS电压近似为同步脉冲、峰值白电平加上偏置电压的80%。本文演示了对评估板热特性的测量，并将其用于实际设计，可保证我们器件的管芯温度保持在规定范围内。