개요: 전력 전자장치에서 열에 대한 고려는 회로 및 PCB 설계의 기본적인 요소이다. 그러나 이 열 측면은 성능만큼 중요함에도 불구하고 신호 경로 전자장치에서 종종 간과되고 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 기본적인 열 특성에 대한 정의 및 설명을 제공하고, 저가 비디오 필터 MAX11500-MAX11509 제품군 사용 시 고려해야 하는 열 설계 문제에 대해 설명한다.
일반적인 열 측면과 일부 정의
모든 반도체 소자는 일정 수준의 열을 방출한다. 열이 방출되는 경로는 패키지 상단에서 공기, 패키지 하단에서 보드, 그리고 패키지 리드에서 보드, 이 세 가지가 있다. MAX11500, MAX11501/MAX11502, MAX11504/MAX11505 비디오 필터에서 가장 주요한 열 방출 경로는 리드에서 보드까지의 경로이다.
열 저항은 재료의 열 전달 특성을 나타내는 값으로, 열을 의미하는 그리스어 Θερµoc(thermos)의 첫 문자인 Θ(쎄타)를 사용하여 나타낸다.
따라서 접합점으로부터 케이스까지의 열 저항은 ΘJC라고 하며, 케이스로부터 주변 공기까지의 열 저항은 ΘCA, 접합점으로부터 주변 공기까지의 열저항은 ΘJA라고 한다. 열 모델은 전기 모델과 유사하므로(그림 1), 두 모델에서 모두 커패시턴스가 일정한 역할을 한다. 온도는 전압에 비유할 수 있으며, 열은 전류에 비유할 수 있다.
전기의 세계에서 전류가 저항을 통과하면 전압차가 발생한다. 마찬가지로 열이 열 저항을 통과할 때도 온도차가 발생한다. 또 짧은 과도 열 흐름이 존재할 경우 열 커패시턴스가 열을 션트하므로 약간의 온도만 상승하게 되며, 이런 이유로 가열에는 시간이 필요하다.
그림 1. 리드를 통과하는 전기와 열 방출의 유사성
대부분의 경우 ΘJC는 ΘCA보다 작고 CTJC는 CTCA보다 작다. 이것은 수학적으로 아래와 같이 나타낼 수 있다. 이제부터는 커패시턴스를 무시하고 비디오 필터와 관련성이 높은 정상 상태(steady-state)를 살펴보기로 한다.
패키지는 관련 JEDEC 표준인 JES51-3 또는 JES51-7에서 규정된 표준 PCB를 사용하여 지정되기 때문에 보통 ΘJA가 사용된다(아래 패키지 규격 섹션의 JEDEC 표준 참조).
패키지의 열 저항을 알고 있으므로 주어진 소비 전력과 주변 온도에 대한 접합 온도를 계산할 수 있다. 열 방출을 PCB에 의존하는 IC에서 접합 온도를 계산할 때 문제는 접합점으로부터 주변 공기까지의 열 저항이 실제로 얼마인지를 아는 것이다.
간단한 예를 들어보자. 소자의 VCC가 5.0V이고 소비 전류는 100mA이다. 이때 최대 주변 온도가 40°C이고 허용되는 최대 접합 온도가 150°C라고 하면 소비 전력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
ΘJA = 150°C/W이고 소자가 40°C의 양호한 주변 온도에서 동작해야 한다고 가정한다면 접합 온도는 다음과 같이 계산된다.
이 온도는 최대 다이 온도보다 충분히 낮아서 소자의 열 문제는 없을 것이다. 그러나 이러한 접합 온도를 구하는 과정은 간단해 보이지만 복잡한 문제가 포함되어 있다. 소형 IC의 경우 PCB 레이아웃에 따라 다르기 때문에 ΘJA가 실제로 얼마인지 확신할 수 없다.
패키지 규격
아래 내용은 제품의 데이터 시트에 나와 있는 대로 MAX11501 비디오 필터 드라이버의 절대 최대 정격을 보여준다.
절대 최대 정격
VCC to GND......................................................-0.3V to +6V
All other pins to GND.....-0.3V to min of (VCC + 0.3V) and +6V
Continuous Power Dissipation (TA = +70°C)
8-pin SOIC (derate 5.9mW/°C above +70°C)............470mW
Maximum Current into any Pin except VCC 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
이 글의 내용과 관련된 주요 규격은 연속 소비 전력과 접합 온도이다. 최대 접합 온도는 150°C이고 소비할 수 있는 최대 전력은 70°C의 주변 온도에서 470mW이다. 이러한 조건에 따라 다이 온도는 150°C가 된다.
따라서 ΘJA는 다음과 같이 계산할 수 있다.
ΘJA는 저감 계수의 역수이므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이들 데이터는 모두 JEDEC 패키지 규격으로부터 얻은 것이다. Maxim 비디오 필터와 관련하여 다음 3가지의 주요 규격을 들 수 있다.
EIA/JESD51-3, Leaded 표면 실장 패키지를 위한 저효율 열 전도성 테스트 보드
EIA/JESD51-5, 직접 열 부착 방법이 사용된 패키지에 대한 열 테스트 보드 표준 확장
EIA/JESD51-7, Leaded 표면 실장 패키지에 대한 고효율 열 전도성 테스트 보드
MAX11500-MAX11505에 대한 패키지 규격은 표 1에 나와 있다.
표 1. 비디오 필터 열 패키지 파라미터
Device
Single-Layer Board
Multilayer Board
ΘJA/°C/W
ΘJC/°C/W
ΘCA/°C/W
ΘJA/°C/W
ΘJC/°C/W
ΘCA/°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
실제 상황에서 비디오 신호 및 IC와 관련된 문제
JEDEC 규격은 소자를 테스트하는 데 사용되는 표준 PCB를 자세히 지정하고 있다. 이러한 규격은 정의된 방식으로 소자를 비교하고 지정할 수 있게 해준다. 그러나 실제로 JEDEC에서 지정하는 보드와 동일한 특성을 갖는 보드에 소자를 탑재할 가능성은 그리 높지 않다. 분명 보드에서 사용하는 레이아웃은 같지 않을 것이다.
일반적인 레이아웃이 아래에 나와 있다. 이 PCB는 MAX11501 3채널 SD 필터 드라이버를 위한 EV 킷에 사용된다.
그림 2. MAX11501 EV 보드
핀 4와 5는 최대 면적을 갖는 구리의 넓은 면적에 연결된다. 이 핀은 전원과 접지 핀으로 전력의 대부분을 소비한다. 이 소자는 아래쪽에 열 패드가 없다.
소비 전력 계산하기
이들 비디오 필터에서의 소비 전력은 무부하와 신호, 이 두 가지로 구성된다. 무부하 소비 전력은 간단하게 계산할 수 있다. 데이터는 데이터 시트에서 직접 얻을 수 있다.
MAX11501의 데이터 시트에는 소비 전류가 VCC = 5.0V에서 18mA(일반) 및 24mA(최대)로 나와 있다. 따라서 무부하 소비 전력은 최대 120mW이다.
신호에 의해 발생되는 소비 전력은 다음 식으로 정의된다.
여기서,
Pdo = 채널에서 소비되는 전력
Vorms = 채널의 출력에 존재하는 rms 전압
Rl = 채널의 부하 저항
VCC = 소자 전원 전압
소자의 전체 소비 전력을 계산하려면 각 채널의 소비 전력과 소자의 무부하 소비 전력을 더하면 된다.
지금까지 과정은 매우 간단해 보인다. 그러나 알 수 없는 것은 RMS 출력 전압으로 이 값은 비디오 재료에 따라 달라진다.
최악의 경우 비디오 신호
다음과 같은 CVBS, Y/C, RGB 및 YUV 등 여러 신호들을 고려해야 한다.
최악의 시나리오는 각 채널에서 두 배의 부하를 구동하는 100% 백색 영상을 갖는 RGB 신호이며, 이것이 우리가 살펴볼 신호이다.
라인 기반 신호는 그림 3과 같이 나타날 것이다.
그림 3. 비디오 라인 파형
PAL과 NTSC 수직 블랭킹 간격은 각각 그림 4와 그림 5에 나와 있다.
그림 4. PAL 수직 블랭킹 및 필드 동기화 펄스
그림 5. NTSC 수직 블랭킹 및 필드 동기화 펄스. 참고: NTSC는 최소 19H의 수직 블랭킹을 갖는 것으로 정의되지만 더 길 수도 있다.
위의 정보를 고려하여 이 신호의 RMS 전압을 계산할 수 있다. 먼저 PAL에 대해 계산한다.
라인의 RMS 전압은 아래와 같이 계산할 수 있다. 이 값은 1V의 피크 화이트 레벨에 대한 싱크로 정규화된다.
이 값은 수직 블랭킹 시간 밖의 575라인에 대해 유효하다. 마찬가지로 수직 블랭킹 간격 내 라인의 RMS 전압을 계산할 수 있다. 결과는 아래 표 2에 최종 RMS 값과 함께 나와 있다.
표 2. PAL에 대한 RMS 전압 계산
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
표 3은 NTSC에 대한 유사한 계산을 보여준다.
표 3. NTSC에 대한 RMS 전압 계산
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
싱크 팁이 0V 이상이면, 이 오프셋을 최종 결과에 추가하여 전체 RMS 값을 쉽게 구할 수 있다. 따라서 전체 RMS 전압은 PAL의 경우 싱크 팁(피크 화이트 레벨 + DC 오프셋)의 80%, NTSC는 81%가 된다. 보통 경험이 풍부한 엔지니어는 모든 경우에 80%를 사용한다.
실제 예시
625라인 RGB 신호에 사용되는 MAX11501 3채널 비디오 필터에 대한 최악의 경우를 고려해보자.
입력 및 출력은 DC 커플링되므로 입력에서 피크 화이트는 1.4V이다. 이 값은 허용되는 최대 입력 전압이다. 오버헤드는 5%가 허용되므로 입력에서 피크 화이트에 대한 최대 싱크 팁은 1.05V가 된다. 따라서 그림 6과 같은 전압 레벨을 갖는다.
그림 6. 예시의 입력 및 출력 전압
이제 다음과 같이 일반 및 최대 소비 전력을 간단하게 계산할 수 있다.
RMS 출력 전압을 계산한다.
채널당 소비 전력을 계산한다.
전체 소비 전력을 계산한다.
이제 우수한 히트싱크가 내장되어 있어 거의 최적에 가까운 열 방출 수준을 제공한다고 가정하면 다이 온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
분명히 137°C의 최대 온도는 현실적으로 발생할 가능성이 거의 없다. 하지만 이제 최악의 조건에서도 다이가 과열되지 않는다는 만족할 만한 결과를 얻었다.
실제 측정
이 측정은 아래와 같이 구성된 MAX11501 EV 킷을 사용하여 수행되었다. 이 소자는 양면 보드이므로 다음과 같은 멀티레이어 보드를 위한 열 파라미터가 사용되었다. ΘJA = 136, ΘJC = 38, ΘCA = 98. 보드는 평온한 대기 중에서 실장되었다.
구성
VCC = 5.0V
각 출력에 비디오 부하 2개
신호는 525라인 RGB, 모든 채널에 싱크를 갖는 100% 백색 영상으로 설정
이론적 계산
아래 수식에서는 PCB 열 특성이 패키지 성능을 지정하는 데 사용되는 값에 가깝다고 가정한다.
결과
무부하 전류 ICC: 18mA
접지 핀에서 측정된 소자 온도: 63°C
주변 온도: 25°C
계산
이제는 시스템에 대한 ΘJA 값을 계산할 수 있다. 이 값은 우리 보드가 패키지를 지정하는 데 사용되는 이상적인 보드에 얼마나 가까운지 알려준다.
이 PCB가 이상적인 보드보다 효율이 아주 약간 떨어짐을 알 수 있다. 이제 시스템에 대한 전체 ΘJA를 사용하여 최대 주변 온도는 70°C로 하고 다이 온도를 계산할 수 있다.
결론
우리는 최악의 경우 비디오 신호의 RMS 전압은 피크 화이트 레벨 + 오프셋에 대한 싱크 팁의 80%에 가깝다는 것을 알 수 있었다.
또 보드의 열 성능을 측정하는 방법을 설명하고 이를 설계에 적용하여 우리 소자의 다이 온도가 설계 제한 범위 내에 있음을 증명하였다.
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