当前位置：首页 > news >正文

高低温环境下DC-DC芯片启动行为对比研究

news 2025/11/10 8:33:04

摘要

本文通过高低温环境实验，系统研究了国科安芯推出的ASP3605同步降压转换器在-55℃至150℃温度范围内的启动行为与稳态特性。测试覆盖了低温冷启动、高温持续运行及温度循环下的输出电压精度、启动时间、带载能力与保护机制触发特性。结果表明，ASP3605在-55℃低温下可正常启动，启动时间约26-29ms，但输出电压精度受线损与器件温漂影响下降5-8%；在150℃高温下，VOUT=1.2V/4.8A与VOUT=3.3V/5A工况可短期运行，但3.3V/5A档位于100℃环境温度即触发过热保护，带载能力随温度升高呈非线性退化。本文揭示了温度应力对COT控制架构时钟稳定性、MOSFET导通电阻及保护阈值偏移的影响机制，为极端环境电源设计提供失效模式分析。

1. 引言

现代电子设备的工作环境日益严苛，从极地科考设备的-55℃低温到汽车引擎舱的150℃高温，DC-DC转换器必须在宽温域内保证可靠启动与稳定运行。温度应力不仅影响半导体器件的本征特性（载流子迁移率、阈值电压），还通过改变PCB板材介电常数、无源元件容差及接触电阻等途径间接影响电源性能。

ASP3605作为国科安芯推出的一款面向工控与车载应用的同步降压芯片，其数据手册标称工作温度为-40℃至125℃，但评估测试将其扩展至-55℃至150℃以探究性能边界。高低温下的启动行为是评估其环境适应性的核心指标，包含启动时间、启动电流、输出电压建立过程及首次带载能力等多个维度。本文基于实测数据，对比分析该芯片在高低温极端条件下的行为特性与常温基准的差异。

2. 测试环境与方法论

2.1 高低温试验箱配置

测试在可程式恒温恒湿箱中进行，温度控制精度±2℃，箱内气流速度≤0.5m/s以模拟自然对流。芯片表面温度通过K型热电偶直接粘贴于封装顶部测量，响应时间<0.5s。测试板通过硅橡胶线缆引出至箱外仪器，线缆电阻约50mΩ，在1A电流下引入5mV压降，测量结果已作补偿修正。

2.2 测试工况矩阵

温度点	VIN(V)	VOUT(V)	IOUT(A)	测试项目	持续时间
-55℃	5	1.2	4.8	启动波形	1小时
-55℃	5	3.3	0/5	启动波形	1小时
25℃	5	1.2	4.8	基准测试	1小时
25℃	5	3.3	5	基准测试	1小时
100℃	5	3.3	5	持续运行	直至保护
120℃	5	1.2	4.8	持续运行	直至保护
150℃	5	1.2	1	降额测试	1小时

3. 低温启动特性分析

3.1 启动时间与温度关系

低温测试在-55℃环境箱内进行，芯片表面温度达到-47.6℃至-50.7℃时触发启动。实测启动时间：

VOUT=1.2V, IOUT=4.8A：

空载启动：26.7ms

满载启动：26.7ms

VOUT=3.3V, IOUT=0A：

空载启动：29.1ms

VOUT=3.3V, IOUT=5A：

满载启动：29.1ms

相比常温启动时间（29.6ms），低温下启动时间缩短约10%，这与MOSFET栅极电容在低温下减小、开关速度加快有关。然而，启动波形显示输出电压建立过程存在约5%的过冲，且在-50℃下振荡幅度较常温增加2-3mV，表明相位裕度有所下降。

3.2 低温下的电压精度退化

低温持续运行1小时后，输出电压精度出现可观测漂移：

VOUT=1.2V：外引线测量值1.098V，板端值1.198V，线损压降达100mV（占8.3%）

VOUT=3.3V：外引线测量值3.21V，板端值3.321V，线损压降111mV（占3.4%）

线损占比在低温下显著增加，主因是铜导线的电阻温度系数（约+0.4%/℃）导致-55℃时导线电阻较常温降低约30%，但连接器接触电阻因材料收缩而增大，综合效应使总线损非线性变化。测试报告特别注明："线长引起的压差及设备上读数不准确...数值的准确性较难评估"，表明低温下的电压精度数据需结合测量方式审慎解读。

3.3 低温保护机制验证

在-55℃下，RUN引脚阈值电压是否漂移是关键验证点。测试未记录低温下RUN引脚触发电压值，但芯片能够正常启动，说明内部带隙基准的温漂在可接受范围。根据测试原理图，RUN引脚通过100kΩ电阻上拉至VIN，未采用外部温度补偿，此设计在-55℃下仍有效，表明芯片内部比较器的温漂特性优于±5%。

4. 高温运行特性与降额曲线

4.1 高温下的过热保护触发

高温测试揭示了ASP3605的带载能力随环境温度升高而退化的规律：

VOUT=1.2V, IOUT=4.8A工况：

常温（31℃）：IC表面温度50.3℃，温升19.3℃

100℃：未触发保护

120℃：出现间歇性过温保护，输出电压波动

150℃：无法持续运行

VOUT=3.3V, IOUT=5A工况：

常温（31℃）：IC表面温度81.9℃，温升50.9℃

100℃：触发过温保护，负载电流被迫下降

150℃：仅可输出1A电流

测试小结明确指出："Vout=3.3V/5A输出100℃环境温度出现保护，在负载随温度上升带载不断降低到Vout=3.3V/1A可以通过150℃高温测试"。这表明过热保护阈值约为100℃环境温度，对应结温可能达到125-130℃，与数据手册标称125℃最高结温基本吻合。

4.2 热降额曲线的工程拟合

基于测试数据，可拟合ASP3605的降额曲线：

1.2V/4.8A工况在120℃才出现保护，说明低压输出的热应力分布不同，可能与同步整流管的导通损耗占比差异有关。

5. 温度对保护阈值的影响

5.1 欠压保护阈值温漂

欠压保护（UVLO）测试在常温进行，显示：

VOUT=1.2V/2.5V/3.3V：VIN降至3.5-3.6V时关断

VOUT=5V：无欠压保护功能

高温下UVLO阈值可能因带隙基准电压漂移而降低。典型硅带隙基准温度系数为±0.5mV/℃，从25℃升至125℃，阈值偏移约±50mV，对3.5V关断阈值影响约±1.4%。低温下阈值可能上升，导致在-55℃时UVLO触发电压升至3.7-3.8V，此效应在电池供电应用中可能导致提前关断，需预留电压余量。

5.2 过流保护点温度漂移

过流保护测试在常温进行，结果显示：

VOUT=1.2V：保护点7A，恢复点6A

VOUT=2.5V：保护点5.9A，恢复点5.4A

过流保护通常通过检测MOSFET导通压降实现，其阈值 Vocp=Ilimit⋅RDS(on)。由于 RDS(on) 正温度系数，高温下相同电流对应的压降增大，导致实际过流保护点下降。估算在125℃时，保护点可能下降20-30%，即1.2V档位的7A保护点在高温下实际为5-5.5A，此特性在热设计中必须考虑。

5.3 软启动时间与温度的关系

软启动测试在25℃与-55℃下分别进行：

25℃：VOUT=1.2V, 5A负载，启动时间29.6ms

-55℃：VOUT=0.6V, 5A负载，启动时间24.4ms

低温下启动时间缩短约17.6%，主因是软启动电容的等效串联电阻（ESR）降低及内部电流源温度特性。然而，高温下软启动时间可能延长，因内部200μA软启动电流源随温度下降，且MOSFET栅极驱动能力减弱。虽然未进行高温软启动测试，但可根据器件物理推测，在125℃时启动时间可能延长至35-40ms。

6. 温度循环下的可靠性隐患

6.1 封装热应力问题

测试报告指出"简封原因（内部金线0.8mil）效率低于上一版测试1-2%"，金线直径减小降低了导通能力，同时增加了热阻。高低温循环会使金线经历热胀冷缩应力，长期可靠性存疑。典型热循环寿命模型（Coffin-Manson）预测，-55℃↔125℃，1000次循环后，0.8mil金线的疲劳损伤度是1.2mil的2.3倍。

6.2 PCB板级热失效风险

高低温测试采用外引线测量方式，明确记录"线长引起的压差...难以测量板上电压"。实际产品中，FR-4板材的玻璃化转变温度（Tg）约为130-140℃，在150℃高温下板材软化，导致铜箔附着力下降，过孔电阻增大。测试未评估PCB本身的高温可靠性，但150℃测试已超出常规板材极限，仅建议作为短期降额验证。

6.3 电容寿命与温度

评估板使用22μF陶瓷电容（部分测试），其X7R介质的工作温度上限为125℃。在150℃下，电容容值下降约15%，绝缘电阻降低两个数量级，漏电流增加可能触发芯片的过流保护误判。此效应在3.3V/5A高温测试中出现保护现象，可能与电容退化有关。

7. 与常温基准的量化对比

7.1 启动时间对比

温度	VOUT=1.2V启动时间	VOUT=3.3V启动时间	偏差分析
25℃	29.6ms	29.6ms	基准
-55℃	26.7ms	29.1ms	缩短9-10%
150℃	未测（预估35ms）	未测（保护）	延长18%，且可能失败

7.2 电压精度对比

以VOUT=1.2V, IOUT=4.8A为例：

常温：板端1.198V，外引线1.082V（线损116mV）

-55℃：板端1.198V，外引线1.098V（线损100mV）

150℃：板端未测，外引线数据无效

线损计算表明，低温下线损降低13.8%，但接触电阻不确定性增加，导致总测量误差从常温的±2%扩大至±5%。

7.3 带载能力对比

环境温度	VOUT=1.2V最大电流	VOUT=3.3V最大电流	热关断阈值
25℃	5A（降额前）	5A（降额前）	>125℃结温
100℃	5A（持续）	5A（保护）	100℃环温
150℃	1A（降额后）	无法工作	<100℃环温