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2021.05.12 DC/DC

패키지 선정 시의 열 계산 예 1

손실의 검토

지난 편까지는 손실 부분과 각 손실의 산출 방법에 대해 설명했습니다. 이제, 산출한 손실을 바탕으로 열 계산을 실시하여 실제 사용 조건에서 최대 정격 범위에 포함되는지의 여부와 최대 정격 범위를 초과하는 경우의 대처 방법에 대해 설명하겠습니다. 손실 (효율)을 산출하는 이유는, 최종적으로 IC 칩이나 트랜지스터 칩의 접합 온도 Tj가 최대 정격을 초과하지 않는 것을 확인하고, 전원 회로가 요구 조건하에서 확실하고 안전하게 동작하는지를 확인하기 위함입니다.

패키지 선정 시의 열 계산 예 1

전원 IC의 전력 손실 계산 예」에서 계산한 결과를 사용하겠습니다. 복습을 겸하여, 손실 계산의 조건과 손실 계산 결과를 확인하겠습니다.

전원 IC의 전력 손실 합계

A5_12_graf01

오른쪽 표와 같이 출력전류 IO는 2A입니다. 사용하는 주위 온도 Ta는 최대 85℃로 합니다. 이 조건에서 전원 IC의 패키지를 HTSOP-8로 검토합니다. HTSOP-8은 표준적인 면실장 SO 패키지로, 이면에 금속판이 노출되어 있는 타입입니다.

A5_12_graf04

A5_12_graf02

열 계산은 최종적으로 IC 칩의 접합 온도 Tj를 구하는 것입니다. IC의 데이터시트에는 허용 손실 그래프가 기재되어 있는 경우가 많지만, 허용 손실도 최종적으로는 Tj 산출이 목적입니다. 하기는 Tj의 계산식입니다. 이 식은 Tj를 나타내는 보편적인 식입니다.

Tj=Ta+θja×P

Ta : 주위 온도 ℃, θja : 접합부 – 주위 열 저항 ℃/W, P : 소비 (손실) 전력 W

계산에 필요한 정보로서 열 저항이 필요하며, 대부분의 경우 IC의 데이터시트에 조건과 함께 제시되어 있습니다. 하기는 데이터시트에서 발췌한 내용으로, 해당 조건에서의 허용 손실 그래프도 제공되어 있습니다.

A5_12_graf03

열 저항 θja가 실장 기판의 층수에 따라 달라지는 것을 알 수 있습니다. 본 사례에서는 1층 기판을 상정하였으므로, 「조건 ①」을 사용하여 계산해보겠습니다.

Tj=Ta+θja×P ⇒ 85℃+189.4℃/W×1.008W=275.9℃

Tjmax는 150℃이므로, 결과는 완전히 NG입니다. 식에 수치를 대입하여 계산했지만, 조건을 읽어보면 이러한 결과를 예상할 수 있었습니다. 허용 손실 그래프에 표시된 손실 1.008W의 라인은 이미 ①의 조건에서의 허용치를 초과하고 있습니다. 또한, Ta=85℃ 라인과 ①의 교차점은 ①의 조건일 때 허용 전력을 나타내고 있으며, 1.008W는 이를 크게 넘는다는 것을 한눈에 알 수 있습니다. 그에 앞서 θja=189.4℃/W임을 알았을 시점에서, 손실 1.008W라면 이미 발열만으로 Tjmax 150℃를 초과하였으므로, 실제로 이 조건에서는 사용이 불가하다는 것을 계산 전에 이미 파악할 수 있습니다.

그러나, 이 계산을 통해 「무엇을, 어느 정도, 어떻게 해야 좋은가」라는 것을 파악할 수 있으므로, 계산은 필요합니다.

결과적으로, 요구 사양을 만족하면서 설계를 완성하기 위해서는 열 대책이 필요하다고 판명되었으므로, 다음 편에서는 대책의 예에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・손실 산출은 열 설계를 실시하기 위함이다.

・Tj가 절대 최대 정격을 초과하지 않도록 방열 대책을 실시한다.

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