開關(guān)電源之熱設(shè)計(jì)

熱管理 2021-02-03

一引言

我們?cè)O(shè)計(jì)的DC-DC電源一般包含電容、電感、肖特基、電阻、芯片等元器件；電源產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率不可能做到百分百，必定會(huì)有損耗，這些損耗會(huì)以溫升的形式呈現(xiàn)在我們面前，電源系統(tǒng)會(huì)因熱設(shè)計(jì)不良而造成壽命加速衰減。所以熱設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中尤為重要的一面。但是熱設(shè)計(jì)也是十分困難的事情，涉及到的因素太多，比如電路板的尺寸和是否有空氣流動(dòng)。

我們?cè)诓榭碔C產(chǎn)品規(guī)格書時(shí)，經(jīng)常會(huì)看到R_JA、T_J、T_STG、T_LEAD等名詞；首先R_JA是指芯片熱阻，即每損耗1W時(shí)對(duì)應(yīng)的芯片結(jié)點(diǎn)溫升，T_J是指芯片的結(jié)溫，T_STG是指芯片的存儲(chǔ)溫度范圍，T_LEAD是指芯片的加工溫度。

二術(shù)語解釋

首先了解一下與溫度有關(guān)的術(shù)語：T_J、T_A、T_C、T_T。由“圖1”可以看出，T_J是指芯片內(nèi)部的結(jié)點(diǎn)溫度，T_A是指芯片所處的環(huán)境溫度，T_C是指芯片背部焊盤或者是底部外殼溫度，T_T是指芯片的表面溫度。

數(shù)據(jù)表中常見的表征熱性能的參數(shù)是熱阻R_JA，R_JA定義為芯片的結(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的熱阻。其中T_J = T_A +（R_JA *P_D）

圖1.簡化熱阻模型

對(duì)于芯片所產(chǎn)生的熱量，主要有兩條散熱路徑。第一條路徑是從芯片的結(jié)點(diǎn)到芯片頂部塑封體(R_JT)，通過對(duì)流/輻射(R_TA)到周圍空氣；第二條路徑是從芯片的結(jié)點(diǎn)到背部焊盤(R_JC)，通過對(duì)流/輻射(R_CA)傳導(dǎo)至PCB板表面和周圍空氣。

對(duì)于沒有散熱焊盤的芯片，R_JC是指結(jié)點(diǎn)到塑封體頂部的熱阻；因?yàn)镽_JC代表從芯片內(nèi)的結(jié)點(diǎn)到外界的最低熱阻路徑。

三典型熱阻值

表1典型熱阻

從表1可以看出，熱阻與PCB板尺寸、空氣流動(dòng)、PCB板厚度、過孔數(shù)量等參數(shù)都有關(guān)系。

四設(shè)計(jì)實(shí)例

某直流降壓方案，輸出5V，電流1A，轉(zhuǎn)換效率η為90%，環(huán)境溫度TA為50℃。使用的電容額定溫度100℃，且跟芯片靠的很近，要求芯片TJ溫度控制在90℃。

首先系統(tǒng)的損耗

P_D=V_OUT*I_OUT*(1/η-1)=5*1*（1/0.9-1）=0.56W

假定所有損耗都算在芯片上，可以計(jì)算出：

熱阻R_JA≤(90℃-50℃)/0.56≤71.4℃/W

Part.1 PCB板尺寸

選用芯片的熱阻要低于71.4℃/W，選用SOP8-EP芯片，其R_JA為60℃/W，仍需要設(shè)計(jì)一個(gè)PCB板或散熱片來把熱量從塑封體傳到周圍空氣。在只有自然對(duì)流（即沒有空氣流動(dòng)）及沒有散熱片的情況下，一個(gè)兩面都覆銅的電路板上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則需要的電路板面積可用如下方程估算得到：