POL的热阻测量及SOA评估方法

为了满足更小的方案尺寸以降低系统成本，小型化和高功率密度成为了近年来DCDC和LDO的发展趋势，这也对方案的散热性能提出了更高的要求。本文借助业界比较成功的中压DCDC TPS543820，阐述板上POL的热阻测量方法及SOA评估方法。
PCB Layout对热阻的影响
芯片的数据手册都会标注芯片的热阻参数，如下Figure 1 TPS543820 Thermal Information所示。但这个Thermal Metric的值并不能直接应用于实际项目的热评估中，因为芯片的散热好坏会受到PCB layout的直接影响，包括散热面积，铜厚，过孔数量甚至是布局都会对实际热阻造成较大影响。

Figure 1： TPS543820 Thermal Information
因此，我们需要对项目中重点电源器件进行实际热阻测量，尤其是在高温应用场景下，以避免设计问题导致的芯片可靠性降低甚至无法正常工作。
板上热阻RθJA测量
测试设备
电源
示波器
电子负载
温箱
热电偶
万用表
测试方法
固定输出电压（VOUT），利用电源提供输入电压电流（VIN，IIN），利用电子负载提供负载电流（IOUT），利用温箱来创造稳定的环境温（TA）。逐步缓慢的增加负载电流，同时利用示波器监测输出电压，当输出电压在超过10分钟的时间里恰好只出现了1次shutdown，那么我们认为此时芯片的结温 TJ = TSDN（thermal shutdown point）。
如Figure 2所示，芯片的TSDN可以从手册中找到，但这个点的范围比较广，下面介绍两种单颗芯片TSDN的测量方法，以得到更精确的结果。

Figure 2： TPS543820 Thermal Shutdown Spec
1）使用热电偶或红外测温仪测量恰好发生一次thermal shutdown时的壳温（Tcase），利用结温到壳温之间的特征热阻较小的特性，近似认为此时TCASE=TSDN。
2）利用PGOOD NMOS体二极管的阈值电压VTH和温度的负线性关系，保持芯片不上电，用万用表测量不同环境温度下的PGOOD和AGND之间的电压差（VTH），两点确定一条直线，绘制出此时的VTH与温度的特性曲线。再次给芯片上电，测量恰好发生一次thermal shutdown时的VTH值，即可反推出此时的PGOOD NMOS温度（TPG），由于PGOOD NMOS受到了功率MOSFET的加热，我们认为此时TPG=TSDN。
热阻计算公式

其中，

因此，我们可以求得此时板上的热阻。下面我们将介绍如何利用板上热阻进行评估SOA。
SOA评估
我们利用TPS543820EVM的RθJA结果进行分析，如Figure 1所示，RθJA=29.1℃/W，假设应用条件为VIN=12V， VOUT=5V， Fsw=1MHz， TA_MAX=90℃，从TPS543820数据手册6.3节中可以得到芯片推荐工作最大结温TJ=150℃，因此，可以利用下面的公式求得当前应用条件下芯片正常工作的最大功耗PLOSS_MAX：

计算得到，PLOSS_MAX=2.06W，从TPS543820数据手册中Figure 6-6中可以直接查出此时对应的输出电流为7.5A。因此，我们可以得到在当前应用条件下，芯片可以正常工作的最大输出电流为7.5A，所以该路电源应设计满足IOUT_MAX≤7.5A。