TJ 산출 : 과도 열 저항을 사용한 계산 예

지금까지 소비전력이 일정한 경우의 T_J 산출 계산 예에 대해 설명했습니다. 이번에는 과도하게 소비전력이 증가하는 조건에서의 계산 방법에 대해 예를 들어 설명하겠습니다.

과도 변동의 예

입력전압이 과도하게 변동하면 결과적으로 소비전력도 과도하게 변동하게 됩니다. 이에 따라 T_J도 변동하는 것을 예상할 수 있을 것입니다. 이와 같은 경우에는 과도 열 저항을 사용하여, 정상 시의 T_J에 과도 시의 온도 상승을 더해 T_J를 계산합니다.

과도 열 저항이란

엄밀히 따지자면, T_J는 전력 투입 시점부터 상승 (발열)을 시작하고, 일정 시간이 지나면 안정됩니다. 통상적인 열 저항 θ_JA는 안정 상태의 발열을 소비전력으로 나눈 값입니다. 반면에 과도 열 저항은 시간의 파라미터를 지니게 됩니다. 그림 1의 예에서는 V_IN이 13.5V에서 35V로 변동하여 3s 경과한 시점의 발열을, 변동한 소비전력으로 나눈 값이 과도 열 저항이 됩니다.

그림 2는 과도 열 저항의 예입니다. 그래프에서 과도 상태의 시간 (펄스 폭)이 길어짐에 따라, 과도 열 저항 Z_TH가 커지고, 약 300s가 경과하면 열 저항이 일정해지는 것을 알 수 있습니다.

과도 열 저항을 사용한 T_J 산출 계산 예

앞서 설명한 바와 같이, 정상 시의 T_J에 과도 열 저항을 사용하여 계산한 과도 시의 온도 상승을 더해 T_J를 산출합니다. 순서로는, 먼저 정상 시와 과도 시의 소비전력을 계산하고, 다음으로 각 열 저항을 사용하여 각각의 온도 상승 (발열)을 계산합니다. 그리고, 정상 시와 과도 시 발열의 합계에 T_A를 더해 과도 시의 T_J를 산출합니다. 그럼, 실제로 계산해보겠습니다.

정상 시 V_IN＝13.5V, V_OUT＝5.0V, I_OUT＝90mA, I_CC＝40μA (TYP)일 때, 소비전력 P1을 계산합니다.

과도 시 V_IN＝35V일 때, 소비전력 P2를 계산합니다. P2는 정상 시의 P1＝0.77W를 포함한 값이라는 점을 기억해야 합니다.

상기 정상 시 열 저항 θ_JA＝40℃/W, 3s/Duty 5%의 과도 열 저항 Z_TH(3s)＝21℃/W를 사용하여, 각각의 T_J 온도 상승을 계산합니다. 과도 시의 온도 상승은, 상온 시의 소비전력 P1을 P2에서 뺀 소비전력에서 산출합니다.

정상 시 온도 상승 

과도 시 온도 상승 

각각의 온도 상승을 더해 전체의 온도 상승을 산출합니다.

전체의 온도 상승 

마지막으로, 과도 상태에서의 주위 온도 T_A를 더해 T_J를 구합니다. T_A는 65℃로 가정합니다.

과도 상태에서의 T_J는 다음과 같습니다. 

이로써 13.5V의 V_IN이 60s인 주기에서 3s 동안 35V까지 과도하게 상승하는 조건에서의 최대 T_J를 구할 수 있었습니다. 그림 3은 V_IN의 과도적 변화에 따른 온도 상승을 이미지화한 것입니다. 온도 상승 파형이 V_IN의 적분 파형인 것은 그림 2의 과도 열 저항 특성이 시간의 파라미터를 지니기 때문입니다.

지금까지의 T_J 계산은 소비전력이 과도적으로 증가하는 경우에, 해당 T_J의 최고치를 파악하는 것이 목적입니다. 이와는 별개로 평균 소비전력에서 T_J를 산출하는 방법도 있습니다. 하기는 동일한 조건에서의 계산 예입니다. 열 저항은 정상 시 열 저항 θ_JA＝40℃/W를 사용합니다.

평균 소비전력  ※0.05는 Duty＝5%
평균 온도 상승 

앞서 계산한 과도 시의 온도 상승은 71.3℃이므로, 본 사례에서는 평균 전력을 사용한 산출 방법은 적절하지 않다는 것을 알 수 있습니다.

열 계산에서 가장 중요한 포인트는, T_J가 절대 최대 정격 T_{J MAX}를 초과하지는 않았는지를 확인하는 것입니다. 절대 최대 정격은 한순간이라도 초과해서는 안되기 때문에 과도 시의 피크 온도를 확인해 둘 필요가 있습니다.

과도 상태가 충분히 긴 경우 (이러한 경우도 과도라고 부르는 것이 적절한 지의 여부는 별개로 두고), 예를 들어 그림 2의 예에서는 펄스 폭이 300s를 초과하는 경우에는 과도 열 저항 ＝ 정상 열 저항이 되므로, 단순하게 정상 열 저항으로 최대 소비전력 시의 T_J를 산출하여, 해당 수치가 T_{J MAX} 미만임을 확인하면 됩니다.