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2017.04.06 DC/DC

電源IC數據表的解讀法:消耗功率

開關式穩壓器的特性和評估方法

不論電源IC與否,使用IC時必須檢討熱問題,切勿超過最大額定Tjmax(最大接合部溫度/Junction Temperature),並視情況進行散熱設計。尤其在電源IC等處理大功率之IC或電晶體上可以說是必須的檢討事項。本項接著說明「電源IC數據表的解讀法」的「消耗功率」。

本項是「電源IC數據表的解讀法」的最後一項。「數據表的封面」、「方塊圖」、「絕對最大額定和建議工作條件」、「電氣特性的關鍵」、「特性圖、波形的看法」、「應用電路例」、「零件選擇」、「輸入等價電路」已經説明,所有項目應該可以做為讀解數據表並讓設計順利進行的提示,建議全部瀏覽。

消耗功率
所謂IC的消耗功率(適用於大多數電子零件),意指不超過其IC可維持性能之溫度的最大消耗功率。例如,若某電源IC之消耗功率為「1.2W」,則單純來說,在該條件下所損失之功率只要不超1.2W即可。

以簡單的LDO穩壓器為例,其計算方式如下:

   若輸入為5V、輸出為3.3V、輸入電流(自我消耗+負載)為0.7A時:(5V-3.3V)×0.7A=1.19W

因此,可以判斷「勉強安全」。當然,實際上需要再仔細檢討。

消耗功率基本上大多以圖表顯示,以下為圖表例。

首先,從圖表①2.66W之曲線可知,25℃為止可以容許2.66W,不過超過25℃以上的話消耗功率便直線式減少,此IC之最大運作Ta85℃則可以容許1.4W。

①~④提示機板和面積之條件,消耗功率因實裝條件而異。此外,亦顯示其條件下之熱阻抗θj-a。近年許多電源IC為表面安裝封裝,消耗功率視實裝條件而有極大的不同,因此此類詳細之條件提示是有用的。

有這些條件提示的話,本身設計只要以最近條件之消耗功率做為「参考」即可。之所以將「参考」兩字框起來,是想強調畢竟只是「参考」而已。關於這個將另外説明。

例如,若②之機板條件相當接近,實裝機板之Ta上限為50℃的話,則知可容許1.4W弱之損失。在上記LDO穩壓器例子中,可以取得0.8A左右。開關式穩壓器雖然計算有點麻煩,不過如果可以測量效率(輸出功率/輸入功率)的話,1-效率將變為損失。若為功率電晶體(power transistor)內建型的話以此便可以求得,不過功率電晶體外接型則必須只計算(測量)控制IC之損失。當然,就電源電路而言,外接功率電晶體之熱計算是必須的。

那麼,看了此圖表之後沒有注意到什麼嗎?當然,此圖表由於提供了一般性充分之資訊,因此有稍微深讀之意。

   (1) 0℃~25℃為何消耗功率相同?
   (2) Ta=150℃且消耗功率為0W..

理論上(1)令人質疑。當周圍溫度下降時,在計算上應該可以增加損失功率。(2)想必立刻注意到,由此可知Tjmax為150℃。因為無法完全消耗功率,故發熱為零,也就是Ta=Tj之條件。

過去時而被問到(1)之問題,難得從圖表讀取了Tjmax,也有提供θj-a,那就以①之條件為例試算看看。

   從Tj=θj-a×PD+Ta得47.0℃/W×2.66W(@ Ta=25℃)+25℃=150℃←Tjmax之條件

   從150℃=47.0℃/W×?W(@ Ta=0℃)+0℃得3.19W←0℃的話計算上應該可以容許這一點損失

其實,有關於此雖然眾說紛紜,不過想必是慣例,一般若假設室溫為25℃的話,即使沒有通電Tj也有25℃,若設定2.66W以上則通電瞬間有超過Tjmax之危險,因此25℃以下之消耗功率適用25℃之値應該比較安全。當然,寒冷地帶等沒有25℃以上,那是非常特殊的條件且只要有可靠的證據,消耗功率想必可以配合計算。

儘管有點脱軌,然而這裡所要陳述的是,如果有提供消耗功率之圖表,利用上雖然沒有問題,不過務必得遵照求Tj之基本公式進行確認,而計算結果更應該以實測驗證。

曾經看過消耗功率圖表數值和計算結果不合之圖表,想必是將已降額(derate)之值做為容許值了。反之,若所提供之消耗功率値正好是Tjmax的話,在其損失條件下使用就信賴性而言等於是在最差條件下使用,運作壽命將會變短,故通常會降額,也就是取寬裕度(margin)。也因此,對於所提示之資訊根據有必要進行某程度的碓認。

最後說明將前述「参考」兩字框起來強調的理由。實際上,數據表提示之機板條件極少數能與本身設計吻合。大多把目標放在「大致上接近」或「比這個好而比這個差」等。甚至因功率設備並排於旁側或冷卻條件(風扇等)、筐體或設置場所之關係等導致散熱、熱阻抗、Ta成為相當不確定要素,計算過於複雜的話有時無法驗證。因此,檢討所提供之資訊並確認計算,最後再進行實測的過程非常重要。尤其近年實裝的高密度化,有時會有無法隨心所欲利用散熱空間或散熱器等情況發生。在電源設計之際,希望能大家充分理解熱檢討和熱設計是非檢討不可的項目。

重點:

・不論是否為電源IC皆須確保沒有超過Tjmax。尤其高功率電源IC更必須實施熱設計。

・消耗功率、封裝熱阻抗、降額(derating)等條件提示之種類有若干,不論如何自我發熱和周圍溫度之和終究不超過Tjmax。

・數據表提供之消耗功率或熱阻抗為特定條件下之値,與本身設計之條件大多不會一致,故須做為参考値,務必以實機進行確認。

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