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2022.06.22 열 설계

TJ 산출 : θJA를 사용한 계산 예

전자기기의 반도체 부품 열 설계

지난 편에서는 θJA와 ΨJT를 사용한 TJ 산출의 기본 계산식에 대해 설명했습니다. 이번에는 예제를 통해 θJA를 사용한 TJ의 산출 계산 예에 대해 설명하겠습니다.

θJA를 사용한 TJ 산출 계산 예

예로서, LDO 리니어 레귤레이터 BD4xxM2-C 시리즈의 BD450M2EFJ-C를 사용하겠습니다. 사양의 개요와 블록도는 하기를 참조하여 주십시오.

・입력 전원전압 : ~42V
・출력전압 : 5.0V
・출력전류 : 200mA
・회로전류 : 40μA (TYP.)
・출력전압 오차율 : ±2% (입력, 부하 안정도 포함)
・출력 콘덴서에 세라믹 콘덴서 사용 가능
・과전류 보호 (OCP), 온도 보호 (TSD) 탑재
・권장 동작온도 범위 : -40℃~+150℃
・TJMAX=+150℃

HTSOP-J8 패키지 : 4.90×6.00×1.00 (mm)

계산 예

하기의 조건 설정을 바탕으로 소비전력 P를 계산합니다.

VIN=13.5V、VOUT=5.0V、IOUT=100mA、ICC=40µA ※이 IC의 경우 VIN은 VCC로 표기되어 있습니다.

소비전력 P를 구하는 식에 값을 대입합니다.

P=(VIN-VOUT)×IOUT+VIN×ICC=(13.5V-5.0V)×100mA+13.5V×40µA=0.85 (W)

여기에서는, 주위 온도 TA에서 TJ를 계산합니다. θJA는 하기의 기판에 실장한 상태를 가정하여, 그래프에서 θJA를 구합니다.

그래프에서 θJA는 48℃/W, TA는 85℃를 상정하여, 이 조건에서 TJ를 계산합니다.

TJ=TA+θJA×P=85℃+48℃/W×0.85W=125.8 (℃)

앞서 제시한 사양과 같이, 이 IC의 TJMAX는 150℃이므로, 이 조건은 허용 범위에 포함되는 사용 조건이라고 판단할 수 있습니다.

만약, 계산 결과 TJMAX를 초과하는 경우에는 조건 변경이 필요합니다. 변경 가능한 항목으로는, 소비전력 P를 줄이거나, 주위 온도 TA를 낮추거나, 열 저항 θJA를 낮추는 방법이 있습니다. 그러나, 입출력 전압이나 출력전류와 같은 전기적 사양은 필요 조건이므로, 일반적으로 변경은 어렵습니다. TA는 냉각의 강화 등을 통해 대응 가능한 경우도 있지만, 기기의 동작 사양으로서 설정되어 있는 경우의 변경은 어렵습니다. θJA를 낮추기 위해서는, 실장 기판의 동박 면적을 넓히는 것으로 대응 가능한 경우가 있습니다. 그리고, IC에 여러 종류의 패키지가 구비되어 있는 경우, θJA가 더 작은 패키지를 선택하는 방법도 있습니다. 결과적으로 이러한 모든 경우, 기판 레이아웃 변경이 수반되므로, 설계 단계에서 충분히 TJ를 산출하는 것이 중요합니다.

실측을 통한 TJ 산출

상기 계산은 전원의 설계 조건을 바탕으로 실시하였지만, IC가 이미 기판에 실장되어 있는 경우에는 소비전력 P를 실측함으로써 현실에 가까운 조건에서의 TJ 산출이 가능합니다. 하기와 같이 IIN은 ICC+IOUT이므로, VIN (VCC)×IIN은 IC로의 총 입력전력이며, 출력의 소비전력 VOUT×IOUT을 뺀 값이 IC에서의 소비전력 P가 됩니다.

θJA를 사용한 TJ의 산출 계산 예에 대한 설명은 여기까지입니다. 기본적으로 소비전력의 계산 방법은 IC의 데이터시트에 기재되어 있으므로, 반드시 데이터시트를 확인해야 합니다.

다음 편에서는 ΨJT를 사용한 TJ의 계산식에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・열 저항 θJA를 사용한 TJ의 산출은, 소비전력 P와 TA 값이 필요하다.

・계산식을 사용하여 TJ를 구하고, TJMAX 이내에 포함되는지를 확인한다.

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