设计电源管理电路时必需考虑的散热问题

LM3554中的初始散热效应的主要表现是器件开关的导通电阻增加和器件阈值的改变。在温度过热的极端情况下，该器件可能触及热关机阈值而导致关闭。知道准确的RJ-A，可以帮助确定器件在功率运行期间的结温，并确保电路按照预期可靠地完成应用的要求。

在可能的情况下，该器件能够拥有3.6V的输入电压、3.6V的LED电压和1.2A的LED电流。在这种情况下，转换器将输出电压升至高于VIN 300mV。这为器件的两个并联电流源(负责调节LED电流）提供了300mV的净电压。

器件的总功耗将为同步PFET、NFET和两个电流源的功耗之和。PFET和NFET的功耗在电阻元件上，因此必须使用RMS电流来准确估算功耗。此电流就是RMS电感电流乘以开关周期(NFET和PFET的导通时间)百分比。如果知道转换器效率，可以用下面的等式算出占空比：

针对我们的情况，VOUT=VLED+300mV，且效率大约为90%。这可以算出PFET占空比(1-D)为83%，NFET占空比为17%。RMS电感电流等式为：

其中ΔIL为峰到峰值电感电流，在我们的示例中大约为140mA，ILDC是通过ILED/(1-D)算出的平均电感电流。

开关中的总功耗变为NFET(RDS_ON=125mΩ) 的45mW加 PFET(RDS_ON=152mΩ)的265mW。此外，电流源的功耗为300mV×1.2A=360mW，使得内部总功耗达到668mW。数据表中给出的RJ-A为60℃/W，且来自4层JEDEC测试板(详见JESD51-7)。使用该RJ-A时，预测结温在TA=50℃时为83.4℃。这对器件将不构成问题，因为它低于150℃的热关机阈值，且低于LM3554数据表中指定的最大工作结温125℃。

在另一种情况下，可以将 LM3554设置为在同一闪光脉冲期间恒定输出+5V。300mV电流源净电压现在变为5V–3.6V=1.4V，导致电流源功耗为1.68W。假设器件在以1.2A电流提供5V电压时效率仍为90%，则占空比为35.2%，从而使直流电感电流1.85A具有288mA的ΔIL。NFET功耗现在为151mW，PFET功耗为338mW。总的内部功耗2.169W，在TA=50℃时会导致高达180℃的核心温度，这比热关机阈值高30℃，且比最大工作结温高55℃。

在现实中，该设备不会安装在4LJEDEC测试板上，而会安装在具有不同布线面的PCB上，它靠近消耗功率的其他元件，且到低层的过孔数也各不相同。所有这些应用变量，加之许多其他因素都会显著影响RJ-A，从而降低结温计算的准确度。

测量热阻抗(RJ-A和CJ-A）

我们需要的是代表实际电路的准确RJ-A。测量RJ-A有多种方法，一种方法是使用热关机阈值，将其设置为+150℃。要用这种方法测量RJ-A，我们可以让LM3554在已知功耗(PDISS)下工作，然后慢慢提高环境温度直到器件关机为止。该器件具有一个内部标志，可以通过I2C兼容接口设置，在触及热关机阈值时会返回‘1’。使用这种方法获得的RJ-A将为：

另一种方法是使用器件中的一个ESD保护二极管，并测量其VF与温度。相较而言这种方法稍微复杂一些，但得出的结果将更准确，这是因为VF可以在整个温度范围下进行表征。多数半导体器件的每个引脚上都有ESD二极管，其阳极连接至GND，阴极连接至各自的引脚。

为了测试 LM3554，我们可以查看LEDI/NTC 引脚，并从该引脚拉出小电流(< 10mA)，同时让温度变化。每个引脚的最大绝对额定值最小为-0.3V，但那是由于ESD二极管在最高结温 +150℃时的VF而引致的。如果将电流限制为小于10mA，我们可以在不损害器件和增加任何自热的情况下查看二极管的VF。从+25℃到+125℃，该引脚的测量结果产生线性响应，斜率大约为1.3mV/℃。一旦这项工作结束，就可以在测量所选 ESD 二极管VF 的同时，让器件在已知功耗下工作。当VF 达到稳态时，RJ-A 将为：

其中VF@TA是ESD二极管在TJ=TA时的VF，VF@SS是ESD二极管在已知功耗(PDISS)下TJ达到稳定状态温度之后的VF。

最后一种方法是使用MOSFET的导通电阻随温度而发生的变化。这种方法是在器件处于上电模式时使用内部PFET来完成。LM3554上的上电模式是指器件停止开关并持续打开PFET。如果VIN升至比VOUT高150mV时就会出现这种情况。在那时，升压转换器无需提升VOUT，而PFET会使VIN直接到VOUT 。

因为电流有些轻微依赖MOSFET的导通电阻，所以有必要在电流接近目标闪光电流时测量 PFET电阻。使用大测试电流的问题是它们可能导致器件发热。克服此问题的方法是将闪光超时时间设置为最低 32ms，并在示波器上测量PFET的电压降。在+25℃到+125℃的情况下，使用1.2A闪光电流，结果显示的斜率大约为 0.42mΩ/℃ 。要注意的一个事情是PFET通过VOUT引脚供电，因此VOUT=5V时，其导通电阻会低于VOUT=3.9V时的电阻值。

使用上述三种方法，当PDISS=1.67W时，使用热量关机测量法得出的结果为45℃/W，使用ESD二极管VF测量法得出的结果为 42℃/W，使用PFET导通电阻法测量的结果为48℃/W。图3显示了在0.856A闪光LED测试电流脉冲期间，PFET的导通电阻以及ILED/NTC的ESD二极管的VF。器件的VIN设置为5V，超时时间设置为1024ms。VLED为3.18V时，使得该电压强制 LM3554 进入上电模式。在这种模式下，功耗完全由PFET和电流源导致。

图 3. 闪光脉冲期间 LM3554 PFET 的导通电阻和 LEDI/NETC 的 ESD 二极管。