视频滤波器的热管理设计\r\n

摘要

在功率电子学中，热管理是电路和印刷电路板设计的基础。虽然热管理和器件的性能一样重要，但在信号链路中是设计人员很容易忽略的问题。本应用笔记定义并讨论了基本的热特性，介绍了使用MAX11500–MAX11509系列低成本视频滤波器时的热管理设计问题。

热管理设计的通用问题和定义

任何半导体器件都会消耗功率释放一定的热量，热量通过三个途径散发出去：封装顶部到空气、封装底部到电路板以及封装引脚到电路板。在MAX11500、MAX11501/MAX11502、MAX11504/MAX11505视频滤波器中，主要的散热通道是从引脚到电路板。

热阻是表示材料导热性的参数，用希腊字母Θ (theta)表示，是希腊语中表示热的单词Θερµος (thermos)的第一个字母。

从结到管壳的热阻称为Θ_JC，从管壳到周围环境的热阻称为Θ_JC，从结到周围环境的热阻称为Θ_JA。热模型与电子仿真模型(图1)类似，两个模型都使用了电容。温度类似于电压，而热量类似于电流。

电子设计中，如果电流流过电阻就会产生压差。同样，如果热量流经热阻就会产生温差。另外，如果只有短暂的瞬间通过热量，热电容会旁路热量，只会产生很小的温升，物体加热时需要时间。

图1. 通过器件引脚散热的电子仿真

大部分情况下，Θ_JC小于Θ_CA，CT_JC小于CT_CA，这个关系可以用下式表示。以下讨论中我们将忽略电容，只研究静态情况，这与视频滤波器的工作状况更接近。

通常会使用Θ_JA，因为封装是由JEDEC标准、JES51-3或JES51-7中定义的标准PCB规定的(关于JEDEC标准的更多信息请考封装规格部分)。

知道封装的热阻后，可以根据给定的耗散功率和环境温度计算结温。问题是，IC的结温取决于PCB的散热能力，即结到周围环境的实际热阻。

我们可以考虑一个简单例子，如果器件的V_CC = 5.0V，吸收电流为100mA。最大环境温度为40°C，最大容许结温为150°C。功耗可以表示为：

假定Θ_JA = 150°C/W，设备必须工作在散热条件良好的40°C环境，结温按下式计算：

这个温度远远低于最大管芯温度，所以器件不会出现过热问题。这个过程看上去很简单，但实际执行时很复杂。对于小尺寸IC，因为它与PCB布局有关，所以很难确定Θ_JA的实际值。

封装规格

以下内容为MAX11501视频滤波驱动器产品数据资料中给出的额定工作范围。

绝对工作范围

V_CC to GND......................................................-0.3V to +6V
All other pins to GND.....-0.3V to min of (V_CC + 0.3V) and +6V
Continuous Power Dissipation (T_A = +70°C)
8-pin SOIC (derate 5.9mW/°C above +70°C)............470mW
Maximum Current into any Pin except V_CC and GND....±50mA

Operating Temperature Ranges:
MAX1150xUSA...............................................0°C to +85°C
Storage Temperature Range.........................-65°C to +150°C
Lead Temperature (soldering, 10s)..............................+300°C
Junction Temperature................................................+150°C

本讨论中的关键规格是连续耗散功率和结温，最高结温是150°C，最大可耗散功率在70°C环境温度下为470mW，该条件会导致管芯温度达到150°C。

因此，我们可以按照下式计算Θ_JA：

因为Θ_JA是降额因子的倒数，很容易验证。

这些数据取自该封装的JEDEC规范。对于Maxim视频滤波器，有三个相关规范：

EIA/JESD51-3，含铅、表面贴封装的低效热传导测试板
EIA/JESD51-5，封装带有直接导热附件的热测试板标准扩展
EIA/JESD51-7，含铅、表面贴封装的高效热传导测试板

MAX11500–MAX11505的封装规格如表1所示。

表1. 视频滤波器封装的热特性参数

Device	Single-Layer Board			Multilayer Board
Device	Θ_JA/°C/W	Θ_JC/°C/W	Θ_CA/°C/W	Θ_JA/°C/W	Θ_JC/°C/W	Θ_CA/°C/W
MAX11500	170	40	130	136	38	98
MAX11501	170	40	130	136	38	98
MAX11502	170	40	130	136	38	98
MAX11504	180	42	138	113	42	71
MAX11505	180	42	138	113	42	71

实际环境中的视频信号和IC

JEDEC规范详细定义了用来测试器件的标准PCB，这个规范能够按照规定的方式测试器件并进行比较和定义。但实际中，器件不可能安装在与JEDEC定义电路板完全相同、具有同样热特性的电路板上，电路板也不会具有同样的布局。

以下给出了一个典型的电路布局，MAX11501三通道SD滤波驱动器的评估板采用了这个PCB。

图2. MAX11501评估板

引脚4和5连接在一个大面积的覆铜层，它们是电源和地引脚，耗散大部分的能量，器件底部没有散热焊盘。

热耗散计算

视频滤波器的功耗来源于静态和信号，静态功耗计算很简单，从数据资料就可以直接得到数据。

MAX11501数据资料标明V_CC = 5.0V时，电源电流典型值为18mA，最大值为24mA。因此，静态功耗最大值为120mW。

由信号产生的功耗按照下式定义：

式 6

式中:

Pdo = 通道功耗
Vorms = 通道输出的rms电压
Rl = 通道负载电阻
V_CC = 器件电源电压

计算器件的总功耗只需将每个通道的功耗与器件的静态功耗相加。

整个过程看上去很简单，但无法知道RMS输出电压，它与视频信号有关。

最差工作条件下的视频信号

有几种需要考虑的信号：CVBS、Y/C、RGB和YUV。

最差工作条件出现在100%白电平RGB图像，每个通道需要驱动两倍负载。这是我们将要考虑的信号。

行信号如图3所示。

图3. 视频波形

PAL和NTSC场消隐间隔分别如图4和5所示。

图4. PAL场消隐和场同步脉冲

图5. NTSC场消隐和场同步脉冲，注：NTSC定义最小场消隐周期占19H，但它可以更长

根据上述信息，我们可以计算信号的RMS电压。首先计算PAL制式的情况。

行电压的RMS按照下式计算，式中同步头归一化到1V峰值白电平。

该式适用于场消隐周期以外的575行。我们可以用同样的方法计算场消隐间隔内的RMS行电压。计算结果以及最终的RMS值如表2所示。

表2. PAL制式的RMS电压计算

Line Numbers	Number of Lines	RMS Voltage
623	1	0.552
624, 625, 4, 5, 311, 312, 316, 317	8	0.278
1, 2, 314, 315	4	0.044
3	1	0.161
6-22, 318-335	34	0.278
23	1	0.562
313	1	0.161
All Active Lines	575	0.847
Total	625
Total RMS		0.800

表3所示为针对NTSC制式的近似计算。

表3. NTSC制式的RMS电压计算

Line Numbers	Number of Lines	RMS Voltage
1, 2, 3, 264, 265	5	0.044
523, 524, 525, 4, 5, 6, 261, 262, 267, 268	10	0.278
7-16, 269-278	20	0.278
260	1	0.557
263	1	0.161
266	1	0.161
All Active Lines	487	0.858
Total	525
Total RMS		0.814