AN-1179: アナログ・デバイセズの RS-485/RS-422、CAN、および LVDS/M-LVDS トランシーバのジャンクション温度算出方法 (Rev. 0) PDF

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AN-1179
アプリケーション・ノート
アナログ・デバイセズの RS-485/RS-422、CAN、および
LVDS/M-LVDS トランシーバのジャンクション温度算出方法
著者:Richard Anslow
はじめに
半導体の信頼性はジャンクション温度によって決ま
り、この温度はデバイスの消費電力、パッケージの熱
抵抗、プリント回路基板(PCB)のレイアウト、ヒー
トシンク・インターフェース、周囲動作温度などの要
素に依存しています。このアプリケーション・ノート
では、これらの考慮すべき事項について説明し、アナ
ログ・デバイセズの絶縁型/非絶縁型 RS-485 および RS422、CAN(コントローラ・エリア・ネットワーク)、
LVDS(低電圧差動伝送)、M-LVDS(マルチポイント
低電圧差動伝送)トランシーバの最大ジャンクション
温度と最大消費電力を求めるための指針を提供しま
す。
ジャンクション温度
ジャンクション温度とは、IC 内の半導体ダイの温度の
ことです。ジャンクション温度を低く維持することに
より、デバイスの長期信頼性が高まります。式 1 を使
ってジャンクション温度を求めます。
TJ = TA + θJAPDISS
(1)
ここで、
TJ はジャンクション温度(°C)。
TA は周囲温度(°C)。
θJA はジャンクション温度と周囲温度間の熱抵抗
(°C/W)。
PDISS はデバイスの総消費電力(W)。
最大周囲動作条件は、アナログ・デバイセズのすべて
のデータシートに記載されています。ジャンクション
温度、熱抵抗、消費電力は明記されているか、または
計算可能です。
式 1 はジャンクション温度を求める 1 つの方法です。
複雑な 3 次元有限要素法解析、熱電対を使って IC の温
度を直接測定する方法などがあります。
熱抵抗
ジャンクション温度と周囲温度間の熱抵抗 θJA
(°C/W)は、IC の熱くなったジャンクション部から周
囲の空気に熱が伝わる際の抵抗と定義されます。アナ
ログ・デバイセズのデータシートに記載されている熱
抵抗値は、冷却用エアフローやボード上にヒートシン
クがない JEDEC 標準 4 層基板を想定しています。IC パ
ッケージにエアフローを使用すると、パッケージの熱
抵抗が小さくなり、最大定格ジャンクション温度に至
る消費電力の増加が可能となります。ヒートシンク
は、デバイスから PCB および筐体への導電経路を提供
することにより、熱を除去してデバイスの熱抵抗を小
さくすることができます。
最大消費電力
トランシーバ・デバイスの熱特性と信頼性特性を評価
する際、バス・インターフェース(トランシーバ+負
荷)の消費電力がきわめて重要です。総消費電力は、
出力負荷によりトランシーバが消費する電力とトラン
シーバの静止時消費電力の合計値です。
個々のデバイスの最大安全消費電力は、ダイのジャン
クション温度が消費電力に伴って上昇することにより
制限されます。通常、最大定格ジャンクション温度は
150°C です。周囲温度動作条件と熱抵抗が分かれば、
対応する最大消費電力を計算できます。この最大消費
電力は、場合によっては標準のトランシーバ・アプリ
ケーションでの消費電力よりはるかに大きくなること
があります。
ジャンクション温度が 150°C になると、デバイス・パ
ッケージのプラスチック特性が変化します。この温度
上限値を一時的にでも超えると、パッケージがダイに
加える応力が変化して、トランシーバのパラメータ性
能を恒久的に変えてしまうことがあります。ジャンク
ション温度がより長い時間 150°C を超えた場合、機能
を損なう恐れがあります。
絶対最大定格
アナログ・デバイセズのデータシートに、絶縁型/非絶
縁型 RS-485 および RS-422、CAN、LVDS/M-LVDS トラ
ンシーバの絶対最大定格が記載されています。絶対最
大定格に記載されている以上のストレスを加えると、
デバイスに恒久的な損傷を与えることがあります。最
大動作条件を超えた状態でより長い時間動作させる
と、デバイスの信頼性に影響を与える恐れがありま
す。
アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に関して、あるいは利用に
よって生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利
の使用を明示的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標
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Rev. 0
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AN-1179
アプリケーション・ノート
目次
はじめに ....................................................................... 1
LVDS ドライバおよびレシーバ ................................ 3
ジャンクション温度 ..................................................... 1
M-LVDS トランシーバ .............................................. 4
熱抵抗 ........................................................................... 1
RS-485/RS-422 トランシーバ .................................. 4
最大消費電力 ................................................................ 1
ヒートシンクと熱設計 .............................................. 5
絶対最大定格 ................................................................ 1
iCoupler 技術と isoPower 技術 ................................. 5
改訂履歴 ....................................................................... 2
参考資料 ....................................................................... 6
デバイスのポートフォリオ ........................................... 3
関連リンク ................................................................ 6
CAN トランシーバ .................................................... 3
改訂履歴
2/14—Revision 0: 初版
Rev. 0
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アプリケーション・ノート
AN-1179
デバイスのポートフォリオ
CAN トランシーバ
アナログ・デバイセズの CAN トランシーバは、データ
層リンク、ハードウェア・プロトコラ、CAN バスの物
理配線間に差動物理層インターフェースを提供しま
す。AN-1123 アプリケーション・ノートに CAN の実装
ガイドが記載されています。アナログ・デバイセズは
絶縁型 CAN トランシーバの ADM3052、ADM3053、
ADM3054、ならびに非絶縁型 CAN トランシーバの
ADM3051 を提供しています。絶縁型 CAN デバイスに
は、アナログ・デバイセズの iCoupler®および isoPower®
絶縁技術が搭載されています(「iCoupler 技術と
isoPower 技術」セクション参照)。
これらの製品のデータシートでは、絶対最大定格表で
最大ジャンクション温度を 130°C または 150°C と規定
しています。熱インピーダンス(ジャンクションから
周囲)と周囲温度動作条件も記載されています。所定
の周囲温度動作条件(ここでは 85°C または 125°C)で
の最大許容消費電力を式 1 で求めます。
表 1 に、最大許容消費電力を示します。これとは別
に、消費電力に対応するジャンクション温度の算出に
使用した式 1 を使って、所定の負荷条件における CAN
デバイスの消費電力を算出できます。前述したよう
に、表 1 の最大消費電力は標準的なトランシーバ・ア
プリケーションでの消費電力よりも大きい場合があり
ます。
表 1. アナログ・デバイセズ CAN トランシーバの消費
電力とジャンクション温度
CAN
製品番号
ジャンクシ
ョン温度
(°C)
最大 TA
(°C)
熱インピ
ーダンス
(°C/W)
消費電力
(W)
ADM3051
ADM3052
ADM3053
ADM3054
150
130
130
150
125
85
85
125
110
53
53
53
0.227
0.849
0.849
0.472
ADM3054 のデータシートには、所定の負荷条件におけ
るロジック側とバス側の電流値を記載しています。出
力負荷抵抗が 60Ω のとき、ロジック側最大電流は
3.0mA、バス側最大電流は 75mA です。電源電圧 5V の
場合の消費電力を式 2 で求めます。
PDISS = VI = (5V)(3.0mA) + (5V)(75mA) = 0.39W
(2)
ここで、
V はトランシーバの電圧(V)。
I はトランシーバの電流(ロジック側、静止時、バス
側)(mA)。
消費電力が 0.39W で熱インピーダンスが 53°C/W の場
合、対応するジャンクション温度の上昇は 20.7°C で
す。式 1 で周囲動作温度を 125°C とすると、ジャンク
ション温度は 145.7°C になります。
LVDS ドライバおよびレシーバ
Rev. 0
アナログ・デバイセズの LVDS ドライバ(トランスミ
ッタ)およびレシーバは、ポイント to ポイント・アプ
リケーション向けにシングルエンドから差動への高速
シグナリング・ソリューションを提供します。たとえ
ば、ADN4663 LVDS ドライバは最大 600Mbps で動作
し、ADN4664 LVDS レシーバは最大 400Mbps で動作可
能です。アナログ・デバイセズの LVDS ポートフォリ
オは、±15kV の強い ESD 耐性を特長とします。AN1177 アプリケーション・ノートに、LVDS と M-LVDS
の回路実装ガイドが記載されています。
LVDS のデータシートでは、最大ジャンクション温度
を絶対最大定格表に記載しています。どの LVDS デバ
イスも最大ジャンクション温度は 150°C です。絶対最
大定格表に熱インピーダンスと最大周囲動作温度を規
定しています。式 1 を使って消費電力を算出します。
最大周囲温度動作条件における LVDS デバイスごとの
最大許容消費電力を、表 2 に示します。
表 2. アナログ・デバイセズ LVDS ドライバ/レシーバ
の消費電力とジャンクション温度
LVDS
製品番号
ジャンクシ
ョン温度
(°C)
最大 TA
(°C)
熱インピ
ーダンス
(°C/W)
消費電力
(W)
ADN4661
ADN4662
ADN4663
ADN4664
ADN4665
ADN4666
ADN4667
ADN4668
ADN4670
150
150
150
150
150
150
150
150
150
85
85
85
85
85
85
85
85
85
149.5
149.5
149.5
149.5
150.4
150.4
150.4
150.4
59
0.435
0.435
0.435
0.435
0.432
0.432
0.432
0.432
1.102
表 2 に記載された最大消費電力の代りに、LVDS デバイ
スが所定の負荷条件で消費する電力を計算し、式 1 を
使ってそれに対応するジャンクション温度を求めてみ
ます。前述のように、最大消費電力は標準のトランシ
ーバ・アプリケーションでの消費電力よりも大きい場
合があります。
たとえば、ADN4664 のデータシートでは、無負荷時の
最大電源電流は 9mA です。LVDS のアプリケーション
で駆動する標準負荷(RL)は 100Ω です。式 3 を使っ
て電源電圧 3.3V での消費電力を算出します。
2
P = VI +
(3.3 V)
V2
= (3.3 V )(9 mA ) +
= 0.14 W
RL
100 Ω
(3)
ここで、
V はトランシーバ電圧(2 乗)(V2)、
RL は LVDS のアプリケーションで駆動する標準負荷で
す。
消費電力が 0.14W で熱インピーダンスが 149.5°C/W の
場合、対応するジャンクション温度の上昇は 20.9°C で
す。式 1 より周囲動作温度が 85°C のとき、ジャンクシ
ョン温度は 105.9°C になります。
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アプリケーション・ノート
AN-1179
表 4. 200Mbps M-LVDS トランシーバの情報
M-LVDS トランシーバ
アナログ・デバイセズの M-LVDS トランシーバは、複
数のノード間での双方向通信を可能にすることによ
り、実績ある LVDS シグナリング方式をさらに進化さ
せています。ADN4690E、ADN4692E、ADN4694E、
ADN4695E は、M-LVDS を高速(データ・レート最大
100Mbps)で送受信するトランシーバです。
ADN4691E、ADN4693E、ADN4696E、ADN4697E は、
最大 200Mbps のデータ・レートで動作可能です。MLVDS トランシーバは全二重および半二重モードで使
用可能で、8 ピンおよび 14 ピンの SOIC パッケージに
収容されています。AN-1177 アプリケーション・ノート
に、LVDS と M-LVDS の回路実装ガイドが記載されて
います。
ADN4690E/ADN4692E/ADN4694E/ADN4695E のデータ
シートに、消費電力とジャンクション温度のパッケー
ジ・タイプ別の算出方法を記載しています。表 3 に、8
ピンおよび 14 ピン SOIC パッケージの熱インピーダン
ス値を示します。
表 3. 100Mbps M-LVDS トランシーバの情報
M-LVDS
製品番号
最大 TA
(°C)
熱インピ
ーダンス
(°C/W)
SOIC パッ
ケージ・
タイプ
ADN4690E
85
121
8 ピン
半二重
121
8 ピン
半二重
二重通信
ADN4694E
85
ADN4692E
85
86
14 ピン
全二重
ADN4695E
85
86
14 ピン
全二重
2
(3.3 V)
V2
= 94 mW +
= 0.298 W
RL
50 Ω
二重通信
半二重
M-LVDS
製品番号
最大 TA
(°C)
ADN4691E
85
121
8 ピン
ADN4696E
85
121
8 ピン
半二重
全二重
全二重
ADN4693E
85
86
14 ピン
ADN4697E
85
86
14 ピン
ADN4691E/ADN4693E/ADN4696E/ADN4697E のデータ
シート記載情報より、トランシーバの消費電力が求め
られます。ドライバとレシーバ両方がイネーブルの場
合、最大電源電流は 24mA になります。トランシーバ
が駆動する標準負荷(RL)は 50Ω です。式 5 を使って
総消費電力を算出します。
2
P = VI +
(3.3 V)
V2
= (3.3 V )(24 mA ) +
= 0.287 W (5)
RL
50 Ω
消費電力が 0.297W で熱インピーダンスが 121°C/W の
場合、対応するジャンクション温度の上昇は 35.9°C で
す。式 1 で周囲動作温度が 85°C のとき、ジャンクショ
ン温度は 120.9°C になります。
消費電力が 0.297W で熱インピーダンスが 86°C/W の場
合、対応するジャンクション温度の上昇は 25.5°C で
す。式 1 で周囲動作温度が 85°C のとき、ジャンクショ
ン温度は 110.5°C になります。
RS-485/RS-422 トランシーバ
ADN4690E/ADN4692E/ADN4694E/ADN4695E のデータ
シートでは、これらのトランシーバの静止時消費電力
を 94mW と規定しています。式 4 を使って、標準のバ
ス負荷(RL)50Ω での総消費電力を算出します。
P = 94 mW +
SOIC パ
ッケー
ジ・タ
イプ
熱インピ
ーダンス
(°C/W)
(4)
消費電力が 0.298W で熱インピーダンスが 121°C/W の
場合、対応するジャンクション温度の上昇は 36.1°C で
す。式 1 で周囲動作温度が 85°C のとき、ジャンクショ
ン温度は 121.1°C になります。
消費電力が 0.298W で熱インピーダンスが 86°C/W の場
合、対応するジャンクション温度の上昇は 25.6°C で
す。式 1 で周囲動作温度が 85°C のとき、ジャンクショ
ン温度は 110.6°C になります。
ADN4691E/ADN4693E/ADN4696E/ADN4697E のデータ
シートに、消費電力とジャンクション温度のパッケー
ジ・タイプ別の算出方法を記載しています。
表 4 に、8 ピンおよび 14 ピン SOIC パッケージの熱イ
ンピーダンス値を示します。
アナログ・デバイセズは、多くのアプリケーションに
適合する標準の RS-485/RS-422 トランシーバと iCoupler
絶縁型 RS-485/RS-422 トランシーバを豊富に提供して
います。RS-485 トランシーバは、ノイズ耐性を高める
差動伝送ラインを使用することにより、長距離の双方
向通信が可能です(最大 1.22km)。AN-960 アプリケ
ーション・ノートに、RS-485/RS-422 回路の実装ガイド
が記載されています。表 5 に、iCoupler および isoPower
絶縁技術を内蔵したアナログ・デバイセズの絶縁型
RS-485 トランシーバのデータを示します(「iCoupler
技術と isoPower 技術」セクション参照)。
表 6 と表 7 は、ADM2587E と ADM2582E のデータシー
トから得た標準の負荷条件時のデータを使って、それ
ぞれのデバイスの消費電力を算出した例です。静止動
作時、これらのトランシーバには電源から通常 8mA の
電流が流れます。ADM2587E(式 6)と ADM2582E
(式 7)の消費電力を、バス負荷 120Ω と 5V 電源の場
合で計算します。
P = VI = (5V)(8mA) + (5V)(120mA) = 0.64W
(6)
P = VI = (5V)(8mA) + (5V)(150mA) = 0.79W
(7)
ADM2587E では、消費電力が 0.64W で熱インピーダン
スが 50°C/W のとき、対応するジャンクション温度の
上昇は 32°C です。式 1 で周囲動作温度が 85°C のと
き、ジャンクション温度は 117°C になります。
ADM2582E について同様の計算を行います。
ADM2682E と ADM2687E のデータシートには、特定の
データ・レートでの電源電流が記載されています。消
Rev. 0
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アプリケーション・ノート
AN-1179
費電力の計算は ADM2587E および ADM2582E の場合
と同様です。ADM2687E は、公称 5V 電源での最大電
源電流を 140mA と規定しており、これは 0.7W の消費
電力に相当します。ADM2682E は、公称 5V 電源での
最大電源電流を 200mA と規定しており、これは 1W の
消費電力に相当します。どちらのデバイスも、標準の
静止時電流は 8mA です。消費電力を計算し、式 1 を使
って、所定の熱インピーダンスと周囲動作温度でのジ
ャンクション温度を求めることができます(表 5 参
照)。
ADM2486 のデータシートでは、5.5V 電源時のロジック
側電流を 4mA と規定しています。対応するバス側電流
は 58mA、バス側電圧は 5.5V なので(データ・レート
20Mbps 時)、消費電力値は 0.341W となります(式 8
参照)。
P = VI + VI = (5.5V)(4mA) + (5.5V)(58mA) =
0.341W
(8)
ADM2486 では、消費電力を 0.341W、熱インピーダン
スを 73°C/W と規定しています。対応するジャンクシ
ョン温度の上昇は 25.9°C です。式 1 で周囲動作温度が
85°C のとき、ジャンクション温度は 109.9°C になりま
す。
表 5. アナログ・デバイセズの絶縁型 RS-485/RS-422 ト
ランシーバの標準負荷に対するジャンクション温度
製品番号
ジャンク
ション温
度(°C)
最大 TA
(°C)
熱インピ
ーダンス
(°C/W)
消費電力
(W)
ADM2481
ADM2482E
ADM2483
ADM2484E
ADM2485
ADM2486
ADM2487E
ADM2490E
ADM2491E
ADM2582E
ADM2587E
ADM2682E
ADM2687E
118.2
97.3
122.2
96
117.9
109.9
94.6
124.8
103.6
124.5
117
139.8
123.5
85
85
85
85
85
85
85
105
85
85
85
85
85
65
61
73
73
73
73
61
60
60
50
50
52
52
0.51
0.202
0.51
0.15
0.45
0.341
0.158
0.33
0.31
0.79
0.64
1.04
0.74
ADM2482E、ADM2487E、ADM2485、ADM2490E、
ADM2491E の静止電流とバス負荷による消費電力は、
ADM2486 と同様の方法で算出します。消費電力を計算
し、式 1 を使って、所定の熱インピーダンスと周囲動
作温度でのジャンクション温度を求めることができま
す(表 5 参照)。
ADM2487E がロジック側電源電流を 4mA と規定してい
るのに対し、ADM2482E は 6mA です。ADM2487E の
バス側電源電流は、電源電圧が 3.6V の場合 40mA で
す。ADM2482E のバス側電源電流は、電源電圧が 3.6V
の場合 50mA です。ADM2482E と ADM2487E の消費電
力は、このデータを使って計算します。
Rev. 0
ADM2485 のロジック側電源電流は 6.5mA(最大)で、
電源電圧 5.5V 時のバス側電源電流は 75mA です。総消
費電力は 0.45W になります。ADM2490E のロジック側
電源電流は 6.0mA(最大)で、電源電圧 5.0V 時のバス
側電源電流は 60mA です。総消費電力は 0.33W になり
ます。ADM2491E のロジック側電源電流は 6.0mA(最
大)で、電源電圧 5.5V 時のバス側電源電流は 50mA で
す。総消費電力は 0.31W になります。
ADM2483 と ADM2481 のロジック側電源電流は、バス
側の標準負荷(RL)が 50Ω のとき 2.5mA です。標準の
電源電圧は 5V です。総消費電力は 0.51W になりま
す。
2
P = VI +
(5 V)
V2
= (5 V)(2.5 mA) +
= 0.51 W
RL
50 Ω
(9)
ADM2484E のロジック側電源電流は、バス側電源電流
が 40mA(電源電圧 3.6V)で終端抵抗が 120Ω のとき
2.0mA です。総消費電力は 0.15W になります。
ヒートシンクと熱設計
ヒートシンク、PCB レイアウトなど、熱設計を適切に
実施する方法のガイドラインについては、アナログ・
デバイセズの MT-093 チュートリアルを参照してくだ
さい(「参考資料」セクション参照)。このチュート
リアルには、消費電力の考慮が必要なアプリケーショ
ンでの PCB レイアウトの指針が記載されています。
iCOUPLER 技術と isoPOWER 技術
標準のカスタマ・アプリケーションにおいて回路部品
間を絶縁することで、システムの安全性とデータの保
全性が高まります。一般に、高電圧デバイスはバス側
に配置されますが、絶縁により、このバス側に生じる
危険な電圧レベルからシステム側の敏感な回路部品を
保護することができます。また、絶縁は、システムで
のデータ・アクイジションの精度に影響を及ぼす同相
ノイズとグラウンド・ループを低減させ、除去できる
ことさえあります。
絶縁した RS-485 ノードで電源を絶縁するためのオプシ
ョンとソリューションについては、アナログ・デバイ
セズの技術記事 MS-2155 を参照してください(「参考
資料」セクション参照)。技術記事 MS-2155 に、
ADM2587E RS-485 トランシーバに採用されている、ア
ナログ・デバイセズの isoPower 絶縁型 DC/DC コンバー
タ技術についての説明があります。ADM2587E には、
アナログ・デバイセズの iCoupler データ絶縁技術も搭
載されています。
iCoupler 技術を使用した絶縁型 RS-485 および CAN ト
ランシーバを使えば、設計者はフォトカプラで問題と
なるコスト、サイズ、消費電力、性能、信頼性上の制
約を受けずに、絶縁を実施した設計が可能です。
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アプリケーション・ノート
AN-1179
参考資料
MT-093 Tutorial:Thermal Design Basics. Analog Devices, Inc., 2009.
技術記事 MS-2155:絶縁した RS-485 ノードのための絶縁した電源を分割する選択方法と回路
Analog Devices, Inc., 2011
関連リンク
リソース
説明
LVDS/MLVDS ウェブページ
LVDS ドライバ、レシーバ、M-LVDS トランシーバの製品ページおよびリソースへ
のリンク
RS-485/RS-422 ウェブページ
絶縁型/非絶縁型 RS-485/RS-422 トランシーバの製品ページおよびリソースへのリン
ク
CAN ウェブページ
絶縁型/非絶縁型 CAN トランシーバの製品ページおよびリソースへのリンク
アナログ・デバイセズの絶縁型トラ
ンシーバのポートフォリオ
AN-960
絶縁型トランシーバ・ポートフォリオのリソースへのリンク
AN-1123
アプリケーション・ノート、CAN アプリケーションの実装ガイド
AN-1177
アプリケーション・ノート、LVDS/M-LVDS 回路の実装ガイド
Rev. 0
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