在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)手冊(cè)的熱阻參數(shù)時(shí)，如何做出有意義的設(shè)計(jì)決策存在很多困惑。這篇介紹性文章將幫助當(dāng)今的硬件工程師了解如何破譯數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱參數(shù)-包括是否選擇theta vs. psi，如何計(jì)算這些值，以及最重要的是如何以實(shí)用的方式將這些值應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。本文還將介紹應(yīng)用環(huán)境溫度之間的關(guān)系，以及它們?nèi)绾闻cPCB溫度或IC結(jié)溫進(jìn)行比較。最后，它將討論功耗如何隨溫度變化，以及如何使用該特性來實(shí)現(xiàn)冷運(yùn)行，成本優(yōu)化的解決方案。

電熱類比

為了更輕松地了解熱量，可以在熱量和電量之間進(jìn)行某些類比。表1和表2比較了電量和熱量以及它們的材料常數(shù)。

表1：電量和熱量之間的模擬關(guān)系（1）

注意：
1）該表的內(nèi)容來自Technische Temperaturmessung：第一卷，F(xiàn)rank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。
2）el表示電值，th表示熱值。

表2：不同材料的材料常數(shù)和變量

電氣和熱模擬方程

電量和熱量可以在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算，并且可以與基爾霍夫的規(guī)則相提并論（見表3）。

表3：電氣和熱過程方程之間的類比（3）

注意：
3）該表的內(nèi)容來自Technische Temperaturmessung：第一卷，F(xiàn)rank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。

數(shù)據(jù)表中的熱阻（θJA和θJC）

圖1引入了MPQ4572，這是MPS的DC開關(guān)電源IC，作為理解熱參數(shù)的示例。在本數(shù)據(jù)表中，有兩個(gè)指定的熱阻參數(shù)：θJA和θJC。這些參數(shù)將在本文中更詳細(xì)地討論。

圖1：數(shù)據(jù)表中的熱阻（θJA和θJC）規(guī)格

圖2顯示了具有5V / 2A輸出的典型MPQ4572應(yīng)用電路。

圖2：具有5V / 2A輸出的MPQ4572典型應(yīng)用電路

結(jié)至環(huán)境熱阻（θJA）是多少？

θJA被定義為從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境溫度的熱阻。它衡量設(shè)備通過所有傳熱路徑，銅走線總和，過孔和空氣流通條件將結(jié)點(diǎn)的熱量散發(fā)到環(huán)境溫度的能力。

因此，給定的θJA僅對(duì)其定義的PCB有效。一個(gè)普遍的錯(cuò)誤是認(rèn)為θJA是可以在所有PCB上使用的常數(shù)。θJA允許在共同的PCB不同的包，諸如JEDSD51-7的比較。例如，如果MPQ4572是一個(gè)4層PCB JESD51-7上（4），其θJA可以用公式（1）計(jì)算：

注意：
4）JESD51-7是4層PCB，是用于帶引線表面安裝封裝的高效導(dǎo)熱測(cè)試板。它是114.3mmx76.2mm。其測(cè)量方法可從https://www.jedec.org/獲得。

如果MPQ4572位于4層上，則為2盎司。銅MPS測(cè)試PCB（8.9cmx8.9cm），其θJA可以與等式（2）來計(jì)算：

圖3顯示了EVQ4572-QB-00A，它是MPQ4572的評(píng)估板。

圖3：EVQ4572-QB-00A評(píng)估板

當(dāng)RT= 25°C時(shí)，EVQ4572-QB-00A的功耗為1.1W。使用JESD51-7板時(shí)，可以用公式（3）估算結(jié)溫（TJ）：

結(jié)殼熱阻（θJC）是多少？

θJC被定義為從結(jié)到外殼的溫度在封裝底部的熱阻。在靠近引腳的位置測(cè)量該溫度。用θJC和公式（4）計(jì)算結(jié)溫：

其中，熱流JC是從結(jié)點(diǎn)流到外殼的熱量。熱流JC可用公式（5）估算：

其中，熱流JT是從結(jié)點(diǎn)流到頂表面的熱量。圖4顯示了為什么不能將θJC用作定制PCB上的測(cè)量結(jié)果。

圖4：結(jié)到外殼的熱阻（θJC）

θJC不能用于有兩個(gè)原因定制PCB上的測(cè)量：

定制PCB可以是任何尺寸，可能與JESD51-7 PCB的114.3mmx76.2mm固定尺寸不同。θJC的目的是比較不同封裝的傳熱能力，因此，應(yīng)該使用JEDSD51-7 PCB進(jìn)行比較，因?yàn)樗膮?shù)已經(jīng)過研究和測(cè)量。

來自定制PCB封裝的實(shí)際熱量尚不清楚，而JEDSD51-7 PCB已經(jīng)測(cè)量了此參數(shù)。考慮具有1.1W功耗的示例。在示例中，熱流分為兩條路徑：θJC（定制PCB未知），以及通過對(duì)流從封裝表面輻射到環(huán)境的熱流。

哪些是對(duì)熱特性參數(shù)結(jié)到外殼頂部（ΨJT）和結(jié)對(duì)板（ΨJB）？

希臘字母的名稱是psi。ΨJT和ΨJB在JESD51-2A中描述。當(dāng)設(shè)計(jì)人員知道電氣設(shè)備的總功率時(shí)，可以使用Psi。器件功率通常很容易測(cè)量，通過以psi為單位進(jìn)行計(jì)算，用戶可以直接計(jì)算電路板的結(jié)溫。

ΨJT和ΨJB是一個(gè)指定的環(huán)境下，其特征在于測(cè)量虛擬參數(shù)。結(jié)溫可以用公式（6）計(jì)算：

其中TSURFACE（°C）是封裝頂部的溫度，PDEVICE是IC中的電源。

公式（6）使用了器件的總功耗。這意味著不必知道封裝頂部和引腳之間的功率分配。這是使用熱特性參數(shù)而不是θJC的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于Ψ的典型值JT是0.8℃/ W和2.0℃/ W之間。更小的封裝趨向于具有較低的ΨJT，而具有較厚模制化合物更大的封裝具有更大的ΨJT。分別用公式（7）和公式（8）估算theta（θ）和psi（psi）之間的差：

熱網(wǎng)計(jì)算

圖5顯示了可以轉(zhuǎn)換為等效線性電網(wǎng)的熱網(wǎng)絡(luò)。θJA是用于結(jié)點(diǎn)和環(huán)境空氣之間的等效熱阻典型名稱。

圖5：IC和PCB的熱網(wǎng)絡(luò)圖

系統(tǒng)具有熱穩(wěn)定性時(shí)，使用熱阻（°C / W），熱流（以W為單位）和溫差（以Kelvin為單位）來描述系統(tǒng)。如果將熱容量（Ws / K）添加到此網(wǎng)絡(luò)，則可以計(jì)算出瞬態(tài)響應(yīng)。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加和詳細(xì)程度的提高，這種計(jì)算變得越來越復(fù)雜。硬件開發(fā)人員通常缺乏有關(guān)尺寸，材料常數(shù)和熱流的精確信息。布局和熱程序可以通過有限元計(jì)算以圖形方式表示熱量分布，是避免進(jìn)行較大的數(shù)學(xué)計(jì)算的不錯(cuò)選擇。

布局建議

為了使器件保持涼爽，建議使IC和銅平面之間的金屬傳熱路徑盡可能短。使用兩個(gè)溫差較大的點(diǎn)來輔助冷熱溫度之間的金屬傳熱路徑。在該系統(tǒng)中，與較冷的VIA2相比，VIA1在頂層和底層之間具有更高的銅溫差（請(qǐng)參見圖6）。這意味著VIA1可以在兩層之間傳遞更大的熱量，從而實(shí)現(xiàn)更有效的冷卻。靠近封裝放置的過孔最有效。

圖6：直流開關(guān)電源IC的熱圖像

必須在IC附近放置連續(xù)的銅熱路徑。避免切割帶有不必要導(dǎo)體軌道的平面。外層最好能夠?qū)崃可l(fā)到環(huán)境中。避免為靠近IC的零件提供散熱，因?yàn)樯釙?huì)影響熱量的傳輸。

通孔改善了層之間的熱流。GND和穩(wěn)定的電勢(shì)是熱過孔的合適位置。填充和封蓋的通孔提高了導(dǎo)熱性，可以直接放置在表面貼裝技術(shù)（SMT）焊盤下面。大規(guī)模的熱布局通常有利于電磁兼容性（EMC）。避免使用具有較高dI / dt或du / dt的通孔（例如，交換節(jié)點(diǎn)），因?yàn)檫@會(huì)降低EMC性能。

FR4是一種廣泛使用的PCB環(huán)氧樹脂材料，由于其環(huán)氧樹脂和玻璃纖維不能很好地導(dǎo)熱，因此導(dǎo)熱系數(shù)低。在PCB層之間放置銅過孔，以改善層之間的熱連接。某些PCB材料的導(dǎo)熱性是FR4的4至8倍。

結(jié)論

MPS的MPQ4572用于顯示熱參數(shù)如何類似于電量和網(wǎng)絡(luò)，并且兩者可以相互轉(zhuǎn)換。工程師經(jīng)常使用的電量使您能夠快速了解??PCB，環(huán)境和半導(dǎo)體之間相互作用中的熱參數(shù)。

器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常列出了熱阻參數(shù)（θJA和θJC），允許設(shè)計(jì)人員在不同封裝的熱特性之間進(jìn)行比較。其特征在于耐熱性（ΨJT和ΨJB）允許設(shè)計(jì)者計(jì)算自定義應(yīng)用程序的結(jié)溫。IC表面頂部的溫度測(cè)量使其易于獲得準(zhǔn)確的結(jié)溫。
編輯：hfy