在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)表的熱阻參數(shù)時(shí)，關(guān)于如何做出有意義的設(shè)計(jì)決策存在很多混淆。這篇介紹性文章將幫助當(dāng)今的硬件工程師了解如何解讀數(shù)據(jù)表中的熱參數(shù)——包括是否選擇 theta 與 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)。 本文還將介紹應(yīng)用環(huán)境溫度之間的關(guān)系，以及它們與 PCB 溫度或 IC結(jié)溫的比較。最后，它將討論功率耗散如何隨溫度變化，以及如何利用這一特性來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻運(yùn)行、成本優(yōu)化的解決方案。

電熱類(lèi)比

為了更容易地理解熱量，可以在熱量和電量之間進(jìn)行某些類(lèi)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：電和熱量之間的模擬關(guān)系（1）

注：

1） 該表的內(nèi)容來(lái)自Technische Temperaturmessung： Volume I，F(xiàn)rank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。

2） el 指電值，th 指熱值。

表 2：不同材料的材料常數(shù)和變量

電和熱類(lèi)比方程

電量和熱量可以在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算，并且與基爾霍夫規(guī)則相當(dāng)（見(jiàn)表 3）。

表 3：電和熱過(guò)程方程之間的類(lèi)比（3）

注：

3） 本表內(nèi)容來(lái)自Technische Temperaturmessung： Volume I，F(xiàn)rank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。

數(shù)據(jù)表中的熱阻（θ JA和 θ JC）

圖 1 介紹了MPS的直流開(kāi)關(guān)電源 IC MPQ4572，作為了解熱參數(shù)的示例。在此數(shù)據(jù)表中，有兩個(gè)指定的熱阻參數(shù)：θ JA和θ JC。本文將更詳細(xì)地討論這些參數(shù)。

圖 1：數(shù)據(jù)表中的熱阻（θ JA和 θ JC）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

什么是結(jié)到環(huán)境熱阻 （θ JA ）？

θ JA定義為從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境溫度的熱阻。它是衡量器件通過(guò)所有傳熱路徑、銅跡線、通孔和空氣對(duì)流條件的總和從結(jié)點(diǎn)散熱到環(huán)境溫度的能力的量度。

因此，給定的 θ JA僅對(duì)其定義的 PCB 有效。認(rèn)為 θ JA是一個(gè)可以在所有 PCB 上使用的常數(shù)是一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。θ JA允許比較通用 PCB 上的不同封裝，例如 JEDSD51-7。例如，如果 MPQ4572 位于 4 層 JESD51-7 PCB （4） 上，則其 θ JA可以用公式 （1） 計(jì)算：

注：

4）JESD51-7 為 4 層 PCB，是一款高效的帶引腳表貼封裝熱導(dǎo)率測(cè)試板。它是 114.3mmx76.2mm。其測(cè)量方法可在https://www.jedec.org/ 上獲得

如果 MPQ4572 在 4 層上，則為 2oz。銅質(zhì) MPS 測(cè)試 PCB（8.9cmx8.9cm），其 θ JA可以用公式（2）計(jì)算：

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

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評(píng)估板

當(dāng) R T = 25°C時(shí)，EVQ4572-QB-00A 的功耗為 1.1W 。對(duì)于 JESD51-7 板，結(jié)溫 （T J ） 可以通過(guò)等式 （3） 估算：

什么是結(jié)到外殼熱阻 （θ JC ）？

θ JC定義為封裝底部結(jié)到外殼溫度的熱阻。該溫度是在靠近引腳處測(cè)量的。使用 θ JC和等式 （4）計(jì)算結(jié)溫：

其中 Heatflow JC是從結(jié)流到外殼的熱量。熱流JC可以用公式 （5） 估算：

其中 Heatflow JT是從結(jié)流到頂面的熱量。圖 4 顯示了為什么 θ JC不能用作定制 PCB 上的測(cè)量值。

圖 4：結(jié)到外殼熱阻 （θ JC ）

θ JC不能用于定制 PCB 上的測(cè)量有兩個(gè)原因：

定制 PCB 可以是任何尺寸，這可能與 JESD51-7 PCB 的固定尺寸 114.3mmx76.2mm 不同。θ JC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)橐呀?jīng)研究和測(cè)量了其參數(shù)。

從定制 PCB 封裝流出的實(shí)際熱量是未知的，而 JEDSD51-7 PCB 已經(jīng)測(cè)量了該參數(shù)。考慮耗散為 1.1W 的示例。在該示例中，熱流分為兩條路徑：θ JC（定制 PCB 未知）和通過(guò)對(duì)流從封裝表面輻射到環(huán)境的熱流。

結(jié)到外殼頂部 （Ψ JT ） 和結(jié)到板 （Ψ JB ）的熱特性參數(shù)是什么？

希臘字母 Ψ 的名稱(chēng)是 psi。Ψ JT和 Ψ JB在 JESD51-2A 中進(jìn)行了描述。當(dāng)設(shè)計(jì)人員知道總電氣設(shè)備功率時(shí)，可以使用 Psi。器件功率通常很容易測(cè)量，通過(guò)使用 psi 計(jì)算，用戶(hù)可以直接計(jì)算出電路板的結(jié)溫。

Ψ JT和 Ψ JB是在特定環(huán)境下的測(cè)量表征的虛擬參數(shù)。結(jié)溫可以用公式 （6） 計(jì)算：

其中 T SURFACE （°C） 是封裝頂部的溫度，P DEVICE是 IC 中的電功率。

等式 （6） 使用器件的總功耗。這意味著沒(méi)有必要知道封裝頂部和引腳之間的功率分布。這是使用熱特性參數(shù)代替 θ JC 的優(yōu)勢(shì)。

Ψ JT 的典型值介于 0.8°C/W 和 2.0°C/W 之間。較小的封裝往往具有較低的 Ψ JT，而具有較厚模塑料的較大封裝具有較大的 Ψ JT。分別用方程 （7） 和方程 （8） 估計(jì) theta （θ） 和 psi （Ψ） 之間的差異：

使用熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

圖 5 顯示了可以轉(zhuǎn)換為等效線性電氣網(wǎng)絡(luò)的熱網(wǎng)絡(luò)。θ JA是結(jié)點(diǎn)與環(huán)境空氣之間等效熱阻的典型名稱(chēng)。

圖 5：IC 和 PCB 的熱網(wǎng)絡(luò)圖

熱阻 （°C/W）、熱流 （W） 和溫差 （Kelvin） 的使用描述了系統(tǒng)何時(shí)具有熱穩(wěn)定性。如果將熱容量 （Ws/K） 添加到該網(wǎng)絡(luò)，則可以計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和詳細(xì)程度的增加，這種計(jì)算變得越來(lái)越復(fù)雜。硬件開(kāi)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(guò)有限元計(jì)算以圖形方式表示熱分布，是避免大型數(shù)學(xué)計(jì)算的不錯(cuò)選擇。

布局建議

為了保持器件冷卻，建議使 IC 和銅平面之間的金屬熱傳遞路徑盡可能短。使用溫差較大的兩點(diǎn)來(lái)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 的頂層和底層之間的銅溫差更高（見(jiàn)圖 6）。這意味著 VIA1 可以在兩層之間傳輸更大的熱流，從而實(shí)現(xiàn)更有效的冷卻。靠近封裝放置的通孔最有效。

圖 6：直流開(kāi)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的導(dǎo)體軌跡的平面。外層最能將熱量散發(fā)到環(huán)境中。避免為靠近 IC 放置的部件提供散熱片，因?yàn)樯崞瑫?huì)影響熱傳輸。

通孔改善層間的熱流。GND 和穩(wěn)定電位是熱過(guò)孔的合適位置。填充和封蓋的通孔提高了導(dǎo)熱性，并且可以直接放置在表面貼裝技術(shù) （SMT） 焊盤(pán)下方。大規(guī)模的熱布局通常有利于電磁兼容性 （EMC）。避免使用具有高 dI/dt 或 du/dt 的過(guò)孔（例如開(kāi)關(guān)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(shù)脂材料，由于其環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維不能很好地導(dǎo)熱，因此導(dǎo)熱率低。在 PCB 層之間放置銅通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 到 8 倍。

結(jié)論

MPS的MPQ4572用于展示熱參數(shù)如何與電量和網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似，并且兩者可以相互轉(zhuǎn)換。工程師經(jīng)常使用的電量有助于快速了解 PCB、環(huán)境和半導(dǎo)體之間相互作用的熱參數(shù)。

熱阻參數(shù)（θ JA和θ JC）通常在器件數(shù)據(jù)表中列出，使設(shè)計(jì)人員可以比較不同封裝的熱特性。表征熱阻（Ψ JT和 Ψ JB）允許設(shè)計(jì)人員計(jì)算定制應(yīng)用的結(jié)溫。在 IC 表面的頂部進(jìn)行溫度測(cè)量，可以輕松獲得準(zhǔn)確的結(jié)溫。

審核編輯：郭婷