Wie man in acht Schritten Maximalwerte und Wärmewiderstände interpretiert

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In den meisten Fällen wird die Wärme hauptsächlich über die Anschlüsse an die Leiterplatte abließen. Somit ist θ_ja für Gehäuse ohne externen Kühlkörper relevant. In der Praxis wird θ_ja durch die Umgebungsverhältnisse und die Befestigungstechnik bestimmt. Der Wert kann durch mangelhafte Luftzirkulation und die Verwendung von Stecksockeln erheblich ansteigen. Verbessert wird die Wärmeabfuhr dagegen durch die Verwendung eines Lüfters und direktes Auflöten des Bausteins auf eine Leiterplatte mit breiten Leiterbahnen.

Dies verringert den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung und senkt damit die Sperrschichttemperatur (Gleichung 2).

θ_ja = (T_J – T_A) / P_D (Gl. 2)

Darin sind:

T_A die Umgebungstemperatur,

T_J die Sperrschichttemperatur und

P_D die im Gehäuse abfallende Verlustleistung.

θ_ja wird meist zur Beurteilung von Gehäusen verwendet, sollte aber nicht benutzt werden, um die thermischen Eigenschaften eines Systems vorherzusagen. Dieser Wärmewiderstand dient stattdessen als Kennzahl für den Vergleich der thermischen Eigenschaften verschiedener Gehäuse, die unter identischen Umgebungsbedingungen geprüft werden. Je kleiner θ_ja ist, umso besser sind die thermischen Eigenschaften des betreffenden Bausteins und umso geringer ist das Risiko einer Überhitzung. Größere Bauelemente mit größerer Gehäusefläche können Verlustwärme effektiver abführen und haben deshalb meist kleinere Wärmewiderstände.

Wenn die Umgebungstemperatur und die Verlustleistung bekannt sind, wird θ_ja häufig zur Berechnung der Sperrschichttemperatur herangezogen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich mit θ_ja nur dann aussagefähige Informationen ermitteln lassen, wenn die Einsatzumgebung des Systems weitgehend identisch mit der definierten Prüfumgebung nach dem JEDEC-Standard ist. θ_ja wird maßgeblich vom Leiterplattendesign (Anzahl der Lagen, weitere Wärme entwickelnde Bauelemente, Zahl der Kupfer-Leiterbahnen usw.) und den Bedingungen der Prüfumgebung bestimmt. θ_ja sollte nur mit großer Vorsicht für Temperaturberechnungen verwendet werden, denn wegen der Abweichungen zwischen realem Umfeld und Prüfumgebung erhält man meist ungenaue Werte.

Wie lässt sich die Sperrschichttemperatur näherungsweise bestimmen, um sicherzustellen, dass der absolute Maximalwert nicht überschritten wird?

Wenn man davon ausgeht, dass die Prüfbedingungen identisch mit den Standardbedingungen sind, kann die Sperrschichttemperatur mit Gleichung 3 berechnet werden.

T_J = T_A + θ_ja P_D (Gl. 3)

T_A (Umgebungstemperatur) ist ebenso bekannt wie der Wärmewiderstand θ_ja. Die Verlustleistung im Gehäuse lässt sich mit Gleichung 4 berechnen.

P_D = I_sy U_sy + I_Last (U_sy – U_out) (Gl. 4)

I_sy U_sy bezeichnet die Ruhe-Verlustleistung, und I_Last (U_sy – U_out) gibt die Verlustleistung des Endstufentransistors an.

Dazu ein Beispiel: Beide Kanäle des Zweifach-Verstärkers AD8622 im SOIC-Gehäuse arbeiten bei der in Bild 4 gezeigten Beschaltung. Der Verstärker ist mit einer Betriebsspannung U_sy von 30 V und einem Betriebsstrom I_sy von 350 µA spezifiziert. Beschreibt man die Verlustleistung der Endstufe mit dem Quadrat der Eingangsspannung geteilt durch den Lastwiderstand ergibt sich nach Gleichung 5 eine Gesamtverlustleistung von 66 mW.

P_D = 2 [350 µA 30 V + (15 V)2/10 kΩ] (Gl. 5)

P_D = 66 mW.

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