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2022.10.26 열 설계

TJ 산출 : 과도 열 저항을 사용한 계산 예

전자기기의 반도체 부품 열 설계

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

과도 변동의 예

지금까지와 마찬가지로 IC는 LDO 리니어 레귤레이터 BD450M2EFJ-C를 사용하겠습니다. 조건은 입력전압 VIN이 그림 1과 같이 과도하게 변동하는 경우입니다. 정상적인 입력전압은 13.5V이지만, 60s 주기에서 3s 동안에 35V까지 변동하는 예입니다.

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

과도 열 저항이란

엄밀히 따지자면, TJ는 전력 투입 시점부터 상승 (발열)을 시작하고, 일정 시간이 지나면 안정됩니다. 통상적인 열 저항 θJA는 안정 상태의 발열을 소비전력으로 나눈 값입니다. 반면에 과도 열 저항은 시간의 파라미터를 지니게 됩니다. 그림 1의 예에서는 VIN이 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 ZTH가 커지고, 약 300s가 경과하면 열 저항이 일정해지는 것을 알 수 있습니다.

과도 열 저항은 대부분의 경우 그래프로 제공되고, 과도 상태의 시간 (펄스 폭)에서 값을 얻어낼 수 있습니다. 그래프에서 사례의 3s/주기 (Duty) 5%인 경우의 과도 열 저항 ZTH (연두색 선)는 21℃/W인 것을 알 수 있습니다. 안정 상태의 값 40℃/W는 패키지의 θJA로서 제공되는 값입니다.

과도 열 저항을 사용한 TJ 산출 계산 예

앞서 설명한 바와 같이, 정상 시의 TJ에 과도 열 저항을 사용하여 계산한 과도 시의 온도 상승을 더해 TJ를 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 TA를 더해 과도 시의 TJ를 산출합니다. 그럼, 실제로 계산해보겠습니다.

정상 시 VIN=13.5V, VOUT=5.0V, IOUT=90mA, ICC=40μA (TYP)일 때, 소비전력 P1을 계산합니다.

P1=(V_IN-V_OUT )×I_OUT+V_IN×I_CC=(13.5V-5.0V)×90mA+13.5V×40μA=0.77 (W)

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

=P2=(35.0V-5.0V)×90mA+13.5V×40μA2.70 (W)

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

정상 시 온도 상승 △T1=θ_JA×P1=40 ℃?W×0.77W=30.8℃

과도 시 온도 상승 △T2=Z_TH (3s)×(P2-P1)=21 ℃?W×(2.70W-0.77W)=40.5℃

각각의 온도 상승을 더해 전체의 온도 상승을 산출합니다.

전체의 온도 상승 △T_J=?T1+?T2=30.8℃+40.5℃=71.3℃

마지막으로, 과도 상태에서의 주위 온도 TA를 더해 TJ를 구합니다. TA는 65℃로 가정합니다.

과도 상태에서의 TJ는 다음과 같습니다. T_J=T_A+?T_J=65℃×+71.3℃=136.3℃

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

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

평균 소비전력 P_AVE=P1+P2×0.05=0.905 (W) ※0.05는 Duty=5%
평균 온도 상승 △T_AVE=θ_JA×P_AVE=40 ℃?W×0.905W=36.2℃

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, TJ가 절대 최대 정격 TJ MAX를 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 TJ를 산출하여, 해당 수치가 TJ MAX 미만임을 확인하면 됩니다.

키 포인트

・과도한 소비전력 상승이 예상되는 경우에는, 과도 상태에서의 최대 TJ를 산출한다.

・과도 상태에서의 온도 상승치를 구하는 경우, 열 저항은 과도 열 저항을 사용한다.

・과도 상태에서의 최대 TJ가 TJ MAX를 초과하지 않는지 확인한다.

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