?摘要

本文通過高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了國科安芯推出的ASP3605同步降壓轉(zhuǎn)換器在-55℃至150℃溫度范圍內(nèi)的啟動(dòng)行為與穩(wěn)態(tài)特性。測(cè)試覆蓋了低溫冷啟動(dòng)、高溫持續(xù)運(yùn)行及溫度循環(huán)下的輸出電壓精度、啟動(dòng)時(shí)間、帶載能力與保護(hù)機(jī)制觸發(fā)特性。結(jié)果表明，ASP3605在-55℃低溫下可正常啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間約26-29ms，但輸出電壓精度受線損與器件溫漂影響下降5-8%；在150℃高溫下，VOUT=1.2V/4.8A與VOUT=3.3V/5A工況可短期運(yùn)行，但3.3V/5A檔位于100℃環(huán)境溫度即觸發(fā)過熱保護(hù)，帶載能力隨溫度升高呈非線性退化。本文揭示了溫度應(yīng)力對(duì)COT控制架構(gòu)時(shí)鐘穩(wěn)定性、MOSFET導(dǎo)通電阻及保護(hù)閾值偏移的影響機(jī)制，為極端環(huán)境電源設(shè)計(jì)提供失效模式分析。

1. 引言

現(xiàn)代電子設(shè)備的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛，從極地科考設(shè)備的-55℃低溫到汽車引擎艙的150℃高溫，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在寬溫域內(nèi)保證可靠啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行。溫度應(yīng)力不僅影響半導(dǎo)體器件的本征特性（載流子遷移率、閾值電壓），還通過改變PCB板材介電常數(shù)、無源元件容差及接觸電阻等途徑間接影響電源性能。

ASP3605作為國科安芯推出的一款面向工控與車載應(yīng)用的同步降壓芯片，其數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱工作溫度為-40℃至125℃，但評(píng)估測(cè)試將其擴(kuò)展至-55℃至150℃以探究性能邊界。高低溫下的啟動(dòng)行為是評(píng)估其環(huán)境適應(yīng)性的核心指標(biāo)，包含啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)電流、輸出電壓建立過程及首次帶載能力等多個(gè)維度。本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析該芯片在高低溫極端條件下的行為特性與常溫基準(zhǔn)的差異。

2. 測(cè)試環(huán)境與方法論

2.1 高低溫試驗(yàn)箱配置

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測(cè)試在可程式恒溫恒濕箱中進(jìn)行，溫度控制精度±2℃，箱內(nèi)氣流速度≤0.5m/s以模擬自然對(duì)流。芯片表面溫度通過K型熱電偶直接粘貼于封裝頂部測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間<0.5s。測(cè)試板通過硅橡膠線纜引出至箱外儀器，線纜電阻約50mΩ，在1A電流下引入5mV壓降，測(cè)量結(jié)果已作補(bǔ)償修正。

2.2 測(cè)試工況矩陣

3. 低溫啟動(dòng)特性分析

3.1 啟動(dòng)時(shí)間與溫度關(guān)系

低溫測(cè)試在-55℃環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行，芯片表面溫度達(dá)到-47.6℃至-50.7℃時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)。實(shí)測(cè)啟動(dòng)時(shí)間：

****VOUT=1.2V, IOUT=4.8A**** ：

空載啟動(dòng)：26.7ms

滿載啟動(dòng)：26.7ms

****VOUT=3.3V, IOUT=0A**** ：

空載啟動(dòng)：29.1ms

****VOUT=3.3V, IOUT=5A**** ：

滿載啟動(dòng)：29.1ms

相比常溫啟動(dòng)時(shí)間（29.6ms），低溫下啟動(dòng)時(shí)間縮短約10%，這與MOSFET柵極電容在低溫下減小、開關(guān)速度加快有關(guān)。然而，啟動(dòng)波形顯示輸出電壓建立過程存在約5%的過沖，且在-50℃下振蕩幅度較常溫增加2-3mV，表明相位裕度有所下降。

3.2 低溫下的電壓精度退化

低溫持續(xù)運(yùn)行1小時(shí)后，輸出電壓精度出現(xiàn)可觀測(cè)漂移：

VOUT=1.2V ：外引線測(cè)量值1.098V，板端值1.198V，線損壓降達(dá)100mV（占8.3%）

VOUT=3.3V ：外引線測(cè)量值3.21V，板端值3.321V，線損壓降111mV（占3.4%）

線損占比在低溫下顯著增加，主因是銅導(dǎo)線的電阻溫度系數(shù)（約+0.4%/℃）導(dǎo)致-55℃時(shí)導(dǎo)線電阻較常溫降低約30%，但連接器接觸電阻因材料收縮而增大，綜合效應(yīng)使總線損非線性變化。測(cè)試報(bào)告特別注明："線長引起的壓差及設(shè)備上讀數(shù)不準(zhǔn)確...數(shù)值的準(zhǔn)確性較難評(píng)估"，表明低溫下的電壓精度數(shù)據(jù)需結(jié)合測(cè)量方式審慎解讀。

3.3 低溫保護(hù)機(jī)制驗(yàn)證

在-55℃下，RUN引腳閾值電壓是否漂移是關(guān)鍵驗(yàn)證點(diǎn)。測(cè)試未記錄低溫下RUN引腳觸發(fā)電壓值，但芯片能夠正常啟動(dòng)，說明內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)的溫漂在可接受范圍。根據(jù)測(cè)試原理圖，RUN引腳通過100kΩ電阻上拉至VIN，未采用外部溫度補(bǔ)償，此設(shè)計(jì)在-55℃下仍有效，表明芯片內(nèi)部比較器的溫漂特性優(yōu)于±5%。

4. 高溫運(yùn)行特性與降額曲線

4.1 高溫下的過熱保護(hù)觸發(fā)

高溫測(cè)試揭示了ASP3605的帶載能力隨環(huán)境溫度升高而退化的規(guī)律：

****VOUT=1.2V, IOUT=4.8A工況**** ：

常溫（31℃）：IC表面溫度50.3℃，溫升19.3℃

100℃：未觸發(fā)保護(hù)

120℃：出現(xiàn)間歇性過溫保護(hù)，輸出電壓波動(dòng)

150℃：無法持續(xù)運(yùn)行

****VOUT=3.3V, IOUT=5A工況**** ：

常溫（31℃）：IC表面溫度81.9℃，溫升50.9℃

100℃： 觸發(fā)過溫保護(hù) ，負(fù)載電流被迫下降

150℃：僅可輸出1A電流

測(cè)試小結(jié)明確指出："Vout=3.3V/5A輸出100℃環(huán)境溫度出現(xiàn)保護(hù)，在負(fù)載隨溫度上升帶載不斷降低到Vout=3.3V/1A可以通過150℃高溫測(cè)試"。這表明過熱保護(hù)閾值約為100℃環(huán)境溫度，對(duì)應(yīng)結(jié)溫可能達(dá)到125-130℃，與數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱125℃最高結(jié)溫基本吻合。

4.2 熱降額曲線的工程擬合

基于測(cè)試數(shù)據(jù)，可擬合ASP3605的降額曲線：

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1.2V/4.8A工況在120℃才出現(xiàn)保護(hù)，說明低壓輸出的熱應(yīng)力分布不同，可能與同步整流管的導(dǎo)通損耗占比差異有關(guān)。

5. 溫度對(duì)保護(hù)閾值的影響

5.1 欠壓保護(hù)閾值溫漂

欠壓保護(hù)（UVLO）測(cè)試在常溫進(jìn)行，顯示：

VOUT=1.2V/2.5V/3.3V：VIN降至3.5-3.6V時(shí)關(guān)斷

VOUT=5V：無欠壓保護(hù)功能

高溫下UVLO閾值可能因帶隙基準(zhǔn)電壓漂移而降低。典型硅帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)為±0.5mV/℃，從25℃升至125℃，閾值偏移約±50mV，對(duì)3.5V關(guān)斷閾值影響約±1.4%。低溫下閾值可能上升，導(dǎo)致在-55℃時(shí)UVLO觸發(fā)電壓升至3.7-3.8V，此效應(yīng)在電池供電應(yīng)用中可能導(dǎo)致提前關(guān)斷，需預(yù)留電壓余量。

5.2 過流保護(hù)點(diǎn)溫度漂移

過流保護(hù)測(cè)試在常溫進(jìn)行，結(jié)果顯示：

VOUT=1.2V ：保護(hù)點(diǎn)7A，恢復(fù)點(diǎn)6A

VOUT=2.5V ：保護(hù)點(diǎn)5.9A，恢復(fù)點(diǎn)5.4A

過流保護(hù)通常通過檢測(cè)MOSFET導(dǎo)通壓降實(shí)現(xiàn)，其閾值 V****ocp?=I****limit??R****DS ( on )?。由于 R****DS ( on )? 正溫度系數(shù)，高溫下相同電流對(duì)應(yīng)的壓降增大，導(dǎo)致實(shí)際過流保護(hù)點(diǎn)下降。估算在125℃時(shí)，保護(hù)點(diǎn)可能下降20-30%，即1.2V檔位的7A保護(hù)點(diǎn)在高溫下實(shí)際為5-5.5A，此特性在熱設(shè)計(jì)中必須考慮。

5.3 軟啟動(dòng)時(shí)間與溫度的關(guān)系

軟啟動(dòng)測(cè)試在25℃與-55℃下分別進(jìn)行：

25℃ ：VOUT=1.2V, 5A負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)間29.6ms

-55℃ ：VOUT=0.6V, 5A負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)間24.4ms

低溫下啟動(dòng)時(shí)間縮短約17.6%，主因是軟啟動(dòng)電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）降低及內(nèi)部電流源溫度特性。然而，高溫下軟啟動(dòng)時(shí)間可能延長，因內(nèi)部200μA軟啟動(dòng)電流源隨溫度下降，且MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)能力減弱。雖然未進(jìn)行高溫軟啟動(dòng)測(cè)試，但可根據(jù)器件物理推測(cè)，在125℃時(shí)啟動(dòng)時(shí)間可能延長至35-40ms。

6. 溫度循環(huán)下的可靠性隱患

6.1 封裝熱應(yīng)力問題

測(cè)試報(bào)告指出"簡封原因（內(nèi)部金線0.8mil）效率低于上一版測(cè)試1-2%"，金線直徑減小降低了導(dǎo)通能力，同時(shí)增加了熱阻。高低溫循環(huán)會(huì)使金線經(jīng)歷熱脹冷縮應(yīng)力，長期可靠性存疑。典型熱循環(huán)壽命模型（Coffin-Manson）預(yù)測(cè)，-55℃?125℃，1000次循環(huán)后，0.8mil金線的疲勞損傷度是1.2mil的2.3倍。

6.2 PCB板級(jí)熱失效風(fēng)險(xiǎn)

高低溫測(cè)試采用外引線測(cè)量方式，明確記錄"線長引起的壓差...難以測(cè)量板上電壓"。實(shí)際產(chǎn)品中，F(xiàn)R-4板材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）約為130-140℃，在150℃高溫下板材軟化，導(dǎo)致銅箔附著力下降，過孔電阻增大。測(cè)試未評(píng)估PCB本身的高溫可靠性，但150℃測(cè)試已超出常規(guī)板材極限，僅建議作為短期降額驗(yàn)證。

6.3 電容壽命與溫度

評(píng)估板使用22μF陶瓷電容（部分測(cè)試），其X7R介質(zhì)的工作溫度上限為125℃。在150℃下，電容容值下降約15%，絕緣電阻降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，漏電流增加可能觸發(fā)芯片的過流保護(hù)誤判。此效應(yīng)在3.3V/5A高溫測(cè)試中出現(xiàn)保護(hù)現(xiàn)象，可能與電容退化有關(guān)。

7. 與常溫基準(zhǔn)的量化對(duì)比

7.1 啟動(dòng)時(shí)間對(duì)比

7.2 電壓精度對(duì)比

以VOUT=1.2V, IOUT=4.8A為例：

常溫 ：板端1.198V，外引線1.082V（線損116mV）

-55℃ ：板端1.198V，外引線1.098V（線損100mV）

150℃ ：板端未測(cè)，外引線數(shù)據(jù)無效

線損計(jì)算表明，低溫下線損降低13.8%，但接觸電阻不確定性增加，導(dǎo)致總測(cè)量誤差從常溫的±2%擴(kuò)大至±5%。

7.3 帶載能力對(duì)比

3.3V/5A工況在100℃環(huán)境溫度即觸發(fā)保護(hù)，表明該工況的熱設(shè)計(jì)余量不足。按熱阻估算，R****th ( ja )?=(T****j??T****a?)/P****loss?，假設(shè)5A時(shí)損耗2W，則 R****th ( ja )?=(125?100)/2=12.5℃/ W ，屬于封裝級(jí)散熱，未加散熱片。

8. 工程應(yīng)用的熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

8.1 降額設(shè)計(jì)曲線

基于測(cè)試數(shù)據(jù)，建議應(yīng)用降額曲線：

-55℃至25℃ ：可全功率5A運(yùn)行，但需監(jiān)測(cè)低溫下接觸電阻導(dǎo)致的額外壓降

25℃至80℃ ：3.3V輸出可5A運(yùn)行，1.2V輸出可5A運(yùn)行

80℃至100℃ ：3.3V輸出限流至3A，1.2V輸出可5A運(yùn)行

100℃至125℃ ：3.3V輸出限流至1A，1.2V輸出限流至3A

>125℃ ：不建議持續(xù)運(yùn)行

8.2 散熱增強(qiáng)措施

針對(duì)3.3V/5A工況在100℃保護(hù)問題，推薦以下散熱方案：

PCB設(shè)計(jì) ：4層板，頂層鋪銅≥2oz，在功率焊盤下布設(shè)≥200個(gè)熱過孔（直徑0.3mm）

外部散熱 ：加裝5×5×5mm鋁散熱片，配合導(dǎo)熱墊（熱阻<1℃/W）

氣流增強(qiáng) ：強(qiáng)迫風(fēng)冷1m/s可降低結(jié)溫約15℃

輸入電壓優(yōu)化 ：在允許范圍內(nèi)降低VIN（如從15V降至12V），減少開關(guān)損耗

經(jīng)計(jì)算，采取上述措施后，5A工況下結(jié)溫可從125℃降至105℃，滿足125℃環(huán)溫要求。

8.3 低溫啟動(dòng)輔助電路

-55℃啟動(dòng)時(shí)，若輸入電源內(nèi)阻較大，可能出現(xiàn)啟動(dòng)瞬間VIN跌落導(dǎo)致UVLO誤觸發(fā)。建議在輸入端并聯(lián)≥100μF鉭電容（-55℃下容量保持率>80%），并在RUN引腳增加10nF延時(shí)電容。?

9. 結(jié)論

ASP3605在寬溫域下的啟動(dòng)與運(yùn)行特性可總結(jié)為：

低溫適應(yīng)性良好 ：-55℃可正常啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間縮短至26-29ms，但輸出電壓精度因測(cè)量誤差與器件溫漂下降，需在關(guān)鍵應(yīng)用中增加本地補(bǔ)償

高溫性能受限 ：3.3V/5A工況在100℃環(huán)境溫度觸發(fā)保護(hù)，表明熱設(shè)計(jì)余量不足；1.2V/4.8A工況可通過120℃測(cè)試，佐證低壓輸出的熱優(yōu)勢(shì)

降額曲線必要性 ：必須根據(jù)環(huán)境溫度曲線降額使用，100℃以上3.3V輸出需從5A降至1A，否則將反復(fù)觸發(fā)過溫保護(hù)

封裝熱瓶頸 ：0.8mil金線的簡封結(jié)構(gòu)在高溫下可靠性存疑，長期125℃工作需進(jìn)行加速壽命測(cè)試驗(yàn)證

本研究填補(bǔ)了ASP3605在-55℃?150℃寬溫域的性能數(shù)據(jù)空白，揭示了其作為工規(guī)芯片的實(shí)際能力邊界。雖然可應(yīng)對(duì)極端溫度，但必須實(shí)施嚴(yán)格的降額與散熱措施。相比僅滿足-40℃?125℃的常規(guī)工規(guī)芯片，其寬溫能力具有應(yīng)用價(jià)值。

?審核編輯 黃宇