International Journal of Applied Exercise Physiology


Download 24.32 Mb.
Pdf просмотр
bet101/176
Sana05.12.2019
Hajmi24.32 Mb.
1   ...   97   98   99   100   101   102   103   104   ...   176

 

 

 



above,  an  original  approach  is  implemented  by  the  authors  to  application  of  behavioral  models  for 

controlling thermal impedance, along with electrical parameters. 



Methodology 

Generally, for having fully observable or mathematically properly described system, implementation of 

behavioral  model  is  possible  in  any  algorithmic  or  object-oriented  language  of  programming,  or,  from  a 

wider  point  of  view,  in  any  rather  developed  language  at  all,  both  described  by  formal  grammars,  and 

natural  one  as  well.  The  last  follows  from  our  everyday  practical  experience.  Therefore,  in  our  work  it  is 

reasonable to narrow down an area of the system concept to an integrated microcircuit, taking into account 

practical objective of the work: to obtain compact behavioral model suitable for use in EDA and automated 

testing equipment. The authors developed an automated measurement complex for testing microcircuits of 

high-frequency  voltage  switching  converters.  Integrated  microcircuits  are  represented  by  down  and 

down/step-up voltage switching regulators with up to 5A output current. 

The complex hardware is made using National Instruments [36] equipment. It includes: 

 



modules PXIe-4139 (sources/meters);  

 



module PXIe-4142 (four sources/meters);  

 



module PXIe-5114 (analogue-to-digital converter);  

 



module PXIe-2567 (64-channel module for controlling external relays); 

 



module PXIe-6230 (timer/generator and control over external devices using logical signals);  

 



module PXIe-1078 (PXI chassis);  

 



module PXIe-8821 (controller 2,6GHz intel Core i3 - 4110E dual core processor); 

 



test-adapters with contact devices for various types of integrated microcircuits’ packages; 

 



chip prober connection unit to control parameters of devices directly on silicon wafer. 

Complex (tester) facilitates measurement of a number of static and dynamic parameters in several sub-

ranges, and control over external devices (probe, grade sorter, heat/cold chamber).  

Since  measured  parameters  are  temperature-dependent,  and  tests  are  conducted  in  a  wide  range  of 

temperatures,  an  approach  is  suggested  that  allows  to  minimize  the  volume  of  preparatory  reference 

information (RI) containing maximum allowable values of measured parameters. It is possible due to refusal 

of using tables  of values of standard technical data for each potential set of environmental conditions and 

type of tests. Such refusal is possible since behavioral model of the tested device is utilized as a source of RI. 

BM  allows  to  describe  in  compact  form  any  external  impacts,  conditions,  and  possible  responses  of  the 

integrated circuit in question. 

Behavioral  models  may  be  created  using  high-level  language  of  describing  VHDL  hardware  (Very-High-

Speed Hardware Description Language). This work used VHDL-AMS language, described by standard IEEE 

1076.1 [13]. This language enables to describe mixed behavioral models (AMS, or Analog and Mixed Signal), 

to  implement  description  of  multi-discipline  models.  Use  of  VHDL-AMS  allows  to  describe  physical 

interconnection  of  electrical  and  thermal  parameters  of  integrated  microcircuits  of  voltage  switching 

converters [7, 8, 11, 14, 18]

.

 

To increase velocity of computations, it is suggested to minimize designed complete electrical diagram of IC  



by  organizing  analogue  component  only  for  electrical  interfaces  by  specific  IC  outputs.  It  is  suggested  to 

specify  external  thermal  influence  through  additional  model  interface  with  no  physical  analogue  as  a 

particular  IMC  output.  Connected  to  the  above  interfaces  functional  model  shall  primarily  be  described 

algorithmically.  

Integrated  circuit  LM2596  [37]

 

produced  by  Texas  Instruments,  has  been  chosen  as  an  example  for 



analyzing.  Internal  structure  of  this  integrated  microcircuit,  pursuant  to  the  published  reference  data,  is 

presented in Fig. 1.  



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



566 

 

 

 



 

Fig.1. Functional structure of LM2596 integrated microcircuit 

 

For  this  integrated  circuit  of  Texas  Instruments  company,  a  macro-model  was  developed  in  PSPICE 



language, which has been used to verify behavioral model. Functional circuit of model comprises functional 

units: 


-  commutation  output  key  based  on  idealized  key  with  temperature-dependent  parameters  of  its 

differential resistance and saturation on-state voltage;   

-  error  amplifier  module  implemented  based  on  unit  with  transfer  function  described  using  the 

Laplace transform;  

- units of limiting input and output signal of error amplifier;  

- unit of functional generator of saw-toothed and strobe signal;  

- units of limiting integrated circuit operation by current and temperature. 

Each unit is implemented on VHDL-AMS language, likewise the entire functional system presented in Fig. 2 



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



567 

 

 

 



 

Fig.2. Functional structure of behavioral model 

 

Results 

To  practically  debug  and  generate  behavioral  model,  SystemVision  Cloud  Mentor  Graphics  [38]

 

simulation  environment  was  used.  It  is  accessible  as  a  public  Internet-service.  The  model  structure  is 



presented in Fig.3. 

 

Fig.3. VSC model in SystemVision environment 



 

To verify the obtained model, numerical experiments were made [22], through including the newly created 

BM into circuit presented in Fig. 3, as well as comparison of the obtained results with the data of technical 

description of the discussed integrated circuit.  



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



568 

 

 

 



Time-wise diagrams of output voltage, inductor current, when converter starts-up, are given in Fig. 4-7. The 

obtained  results  are  in  good  agreement  with  the  results  obtained  using  SPICE-models  and  experimental 

data, obtained by means of the above-mentioned experimental unit.  

 

Fig. 4. Graph of VSC load voltage at startup 



 

 

Fig. 5. Graph of VSC inductor current 



 

Fig. 6. Graph of VSC load voltage when load is transient 



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



569 

 

 

 



 

Fig. 7. Graph of VSC load current when load is transient 

 

The result of temperature impact on parameters of converter may be assessed, controlling voltage at the 



Vout circuit output. A segment of this time diagram is given in Fig. 8. Considering that circuit input voltage, 

supplied to VIN output, is 12V, the difference between it and maximum values of VOUT voltages amounts 

to the value of residual voltage drop on the power key of integrated circuit. A change in this voltage and 

commutation period under the influence of temperature may be seen in Fig. 8. 

 

Fig. 8. Graph of VSC load current when load is transient



 

The  work  results  may  also  involve  the  suggested  accelerated  method  for  controlling  thermal  crystal-

package  resistance.  It  is  obvious  that  if  the  tested  diode  has  thermal  resistance  higher  than  that  of  the 

reference  diode,  the  temperature  of  its  crystal  at  the  moment  of  measurement  will  be  higher  than  the 

reference  one,  and  the  voltage  difference  ΔU  shall  be  lower  than  reference  difference  ΔU

ref

However,  a 

change  in  voltage  U  is  not  proportional  to  change  in  thermal  resistance.  It  is  worthwhile  to  assess,  how 

temperature and value of temperature-sensitive parameter change, when diode thermal resistance changes. 

Presuming that averaged temperature of diode crystal, when heated by rated current, changes pursuant to 

exponential law according to equation: 



T

J

=T

kn  

+T

Jm 

(1– e

t/τ 

)

where T



kn 

 – initial temperature of package, T



Jm 

=T



kmax

 +P∙R

thjc 

– maximum increment of crystal temperature, τ 

– thermal constant of package heating time, T

kmax

 – maximum increment of package temperature in a steady 



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



570 

 

 

 



state mode, – thermal capacity, then, if R

thjc

 increases, for example, twice, maximum increment of crystal 

temperature will change as follows: 

T

Jm 

=T



kmax

 +2P∙R

thjc

Assuming  that  package  temperature  when  heated  slightly  changes,  change  in  crystal  temperature  is 



disproportional to change in thermal resistance and shall be described by equation: 

T

J

=T

kn  

+( T

kmax

 +P∙R

thjc 

)

 



(1– e

t/τ 

)

Fig.9 presents a graph of crystal temperature changing for three values of junction-case thermal resistance

when rated value R

thjc,н

=2 °C/V. Graphs correspond to T

kn

=20 °CT

kmax

=80 °Cτ=50 сP=5 V. Here, a steady 

temperature of crystal will be higher than the package temperature by value P∙R



thjc 

.

 

 

Fig.9. Temperature curve for various thermal resistances: 



1: R

thjc 

= R

thjc,н

; 2: R



thjc 

= 1.3R

thjc,н

; 3: R



thjc 

= 2R

thjc,н 

The graph shows that, by the moment of time τ = 50 sec, crystal temperature reaches 76.9°C when R



thjc 

= R

thjc,н

 

and  83.2°C  when  R



thjc 

=  2R

thjc,н

,  i.e.,  when  thermal  resistance  increases  twice,  crystal  temperature  at  the 

moment of time, equal to thermal constant τ, will increase by 7.6%.  

There  are  no  published  methods  for  controlling  thermal  crystal-package  resistance  for  integrated 

microcircuits of high-frequency VSCs. However, an access to p-n-junction, available within the structure of 

these VSCs, allows to use the suggested accelerated method for controlling temperature of junction (diode) 

and,  respectively,  crystal  temperature  and  thermal  crystal-package  resistance  of  VSC  integrated  circuits, 

supposing that temperature of p-n-junction will correspond to VSC crystal temperature. Thus, p-n-junction in 

integrated circuit LM2676 (Texas Instruments) is between outputs GND and ON/OFF. It is possible, using 

this  junction,  to  control  in  an  automated  manner  its  temperature  and  junction-case  thermal  resistance  of 

integrated circuit and other high-frequency VSCs as follows: 

1. First, in laboratory, a relationship between temperature-sensitive parameter (voltage within p-n-junction 

when gauge current is small) and temperature is established. The obtained relationship U

J

(T) is used either 

for immediate determination of thermal resistance, or is approximated by linear dependence 



U

J

(T)=U



–K



T. 

An example of such approximation by two points is presented in Fig. 10. Linear approximation characterizes 

relationship U

J

(T) by two parameters: temperature coefficient of voltage K

T

 and initial voltage U

0



K





=(U

1

 – U

2

)/(T

2

 –T

1

),  U



=U



+K

T

T

1

.   

 

 



(1) 

Here, temperature of p-n-junction shall be defined by measured voltage U using equation 



T

J

=(U

0

 ‒ U)/K

T

.    


 

 

 



(2) 

International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



571 

 

 

 



 

Fig.10. Temperature-sensitive parameter- 

temperature relationship 

2.  Thermal  resistance  of  reference  integrated  circuit  shall  be  defined  at  the  second  stage.  To  this  effect, 

reference circuit is installed into tester, heating mode is turned on, temperature of integrated circuit package 

is  measured,  along  with  the  time,  upon  expiration  of  which  temperature  of  package  will  almost  stop 

changing. After dividing measured time by three, an approximate value of thermal time constant τ shall be 

determined. Heating of integrated circuit continues until package temperature fully stops changing, then the 

integrated circuit is switched off, and voltage within p-n-junction is measured by tester, when gauge current 

is small.  

Temperature of p-n-junction T

J

 shall be defined using measured voltage and dependence U



J

(T) or equations 

(1), (2). Thermal crystal-package resistance shall be defined by equation: 



R

thjc

=(T

J

 – T

С

)/P

н 

where P



н 

– lost power (heat flow) in the heating mode, T



С

 – temperature of package in a steady-state mode. 

3. The third stage involves introduction of parameters into tester memory that were defined using reference 

integrated  circuit.  To  this  effect,  after  complete  cooling  of  reference  integrated  microcircuit,  it  is  again 

connected to tester, and voltage within p-n-junction is measured, when gauge current is small. Then, heating 

mode is turned on for a period, comparable with thermal time constant (arbitrary within (0.5…0.8)τ). Then, 

power is quickly (by means of tester) turned off, and a voltage drop is measured within  p-n-junction, with 

small gauge current. Four values are retained in the tester memory: heating duration, two voltages within p-



n-junction, when gauge current  is small, and the value of this current. Preparatory stages, needed to form 

BM parameters, are completed here, and automated inspection of the entire set of circuits may be started.  



Discussion 

The obtained time relationships between output voltage and current at the moment of converter’s start-

up, given in Fig. 4-7, coincide with the results of applying PSPICE-model and experimental studies. It allows 

to infer that the model is successfully verified. 

Applicability  of  the  suggested  method  is  related  to  the  permissible  deviation  of  thermal  crystal-package 

resistance  value  from  the  rated  value.  2.5%  (Fig.9)  increase  in  crystal  temperature,  when  controlling  at  τ 

moment  in  time,  corresponds  to  this  thermal  resistance  exceedance.  Such  changes  in  temperature  may  be 

safely  recorded  by  automated  tester,  that  enables  to  arrange  for  successful  automated  sorting  of 

microcircuits to be carried out. 

20 


40 

60 


80 

600 


700 

800 


U



U



U, mV 

T

J

, °C 


International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



572 

 

 

 



However, it should be noted that reduction of heating time results in remarkable reduction of temperature-

thermal  resistance  dependence  (Fig.  9).  Thus,  when  there  is  heating  of  the  same  capacity within  0.2τ,  30% 

increase  in  thermal  resistance  will  result  in  only  1.5  %  increase  in  temperature.  A  compromise  is  needed 

between test duration and accuracy of determining thermal resistance. As per preliminary assessment, it is 

worthwhile to choose the time for crystal heating within (0.5…0.8)τ. 

When the suggested algorithm is implemented to control thermal crystal-package resistance in an automated 

manner, a number of conditions shall be observed.  

First, time interval between tripping of thermal capacity and measurement of p-n-junction voltage shall be 

minimized.  Taking  into  account  that  τ  of  VSC  microcircuits  is  usually  several  and  more  seconds,  use  of 

switching devices, as parts of tester, that have response time of unities of milliseconds, enables to meet this 

condition. 

Second,  it  is  necessary  to  ensure  that  not  only  time  of  heating  is  stable,  but  thermal  capacity  as  well. 

Obviously, a connection circuit in heating mode shall be chosen, and an algorithm for stabilizing lost power 

shall  be  elaborated  for  each  type  part  of  VSC  microcircuit.  This  algorithm  shall  be  implemented  using 

software-hardware  as  part  of  tester,  taking  into  account  permissible  spread  of  electrical  parameters  of 

microcircuits. Modern automated testing equipment allows to solve this problem as well.  

Third,  accuracy  of  determining  junction-case  thermal  resistance  strongly  depends  on  stability  of 

temperature-sensitive element (p-n-junction) characteristic (Fig. 10) within one set of tested microcircuits.  



Conclusions 

Analysis  of  the  existing  methods  for  controlling  thermal  crystal-package  resistance  of  semiconductor 

devices showed that they  are highly labor-intensive  with long control process that doesn’t allow to utilize 

them for automated tests of high-frequency VSC microcircuits. This problem may be successfully addressed 

through the use of the reference behavioral model of microcircuit. 

A  modified  method  is  suggested  that  substantially  speeds  up  determination  of  thermal  junction-package 

resistance of semiconductor diodes, when carrying out automated tests. 

Potential application of modified method for automated determination of thermal crystal-package resistance 

of VSC microcircuits is presented, using p-n-junction embedded into their structure. 

Algorithm  is  elaborated  to  use  modified  method  for  automated  determination  of  thermal  crystal-package 

resistance of VSC microcircuits utilizing test equipment. 

The  suggested  method  is  recommended  to  be  used  when  controlling  thermal  resistances  of  various 

semiconductor devices. 

The  method  of  using  behavioral  models,  discussed  in  the  paper,  allows  to  obtain  appropriate  results  of 

modelling, comparing with considerably more complex transistor level SPICE-model. Here, improvements 

in performance are gained and many computational resources are saved. 

From  the  obtained  results  it  can  be  inferred  that  behavioral  models  may  be  used  as  a  source  of  reference 

information  during  testing  electronic  components.  It  enables  to  greatly  reduce  the  volume  of  preparatory 

works  when  organizing  automated  testing  of  microelectronics  devices  and  developing  automated  testing 

equipment. 





Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   97   98   99   100   101   102   103   104   ...   176


Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2019
ma'muriyatiga murojaat qiling