電源管理電路設(shè)計(jì)時(shí)散熱問(wèn)題以及熱傳遞的計(jì)算 - 全文

高溫或內(nèi)部功耗產(chǎn)生的過(guò)多熱量可能改變電子元件的特性并導(dǎo)致其關(guān)機(jī)、在指定工作范圍外工作，甚或出現(xiàn)故障。電源管理器件(及其相關(guān)電路)經(jīng)常會(huì)遇到這些問(wèn)題，因?yàn)檩斎肱c負(fù)載之間的任何功耗都會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)熱，所以必須將熱量從這些器件中驅(qū)散出來(lái)，使其進(jìn)入PCB、附近的元器件或周圍的空氣。即使在傳統(tǒng)高效的開(kāi)關(guān)電源中，當(dāng)設(shè)計(jì)PCB和選擇外部元器件時(shí)，也都必須考慮散熱問(wèn)題。

設(shè)計(jì)電源管理電路時(shí)，在考察散熱問(wèn)題之前對(duì)熱傳遞進(jìn)行基本了解是很有幫助的。首先，熱量是一種能量，會(huì)由于兩個(gè)系統(tǒng)之間存在溫差而進(jìn)行傳輸。熱傳遞通過(guò)三種方式進(jìn)行：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。當(dāng)高溫器件接觸到低溫器件時(shí)，會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)。高振幅的高溫原子與低溫材料的原子碰撞，從而增加低溫材料的動(dòng)能。這種動(dòng)能的增加導(dǎo)致高溫材料的溫度上升和低溫材料的溫度下降。

在對(duì)流中，熱傳遞發(fā)生在器件周圍的空氣中。在自然對(duì)流中，物體加熱周圍的空氣，空氣受熱時(shí)膨脹形成真空，導(dǎo)致冷空氣取代熱空氣。因此形成循環(huán)氣流，不斷將器件的熱量傳輸給周圍的空氣。另一種形式是強(qiáng)制對(duì)流，例如風(fēng)扇主動(dòng)吹冷空氣，從而加速取代暖空氣。當(dāng)物體將電磁波(熱輻射）發(fā)送至周圍環(huán)境時(shí)就會(huì)產(chǎn)生輻射。輻射熱量無(wú)需介質(zhì)傳遞(熱量可以通過(guò)真空輻射）。在PCB中，熱傳遞的主要方法是傳導(dǎo)，其次是對(duì)流。

下面的等式給出了以傳導(dǎo)方式熱傳遞的數(shù)學(xué)模型：

該模擬可以深入進(jìn)行，以描述器件的另一個(gè)熱屬性，稱之為熱容。正如將熱阻模擬為電阻，可以將熱容(CT，單位為J/℃）模擬為電容。將熱容與熱阻并聯(lián)獲得熱阻抗(ZT)。圖1所示為傳導(dǎo)傳熱的簡(jiǎn)化RC模型。能源被模型化為電流源，熱阻抗被模型化為CT與RT并聯(lián)。

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圖 1. 簡(jiǎn)化的熱阻抗模型。

在電路中，每個(gè)熱界面都有熱阻抗。熱阻抗因材料、幾何形狀、大小和方向的不同而各異。系統(tǒng)(或電路)的熱阻抗對(duì)環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)有一個(gè)總熱阻抗，它可以分解為電路中每個(gè)元件的熱阻抗的并聯(lián)和串聯(lián)的組合。例如，在半導(dǎo)體器件中，晶粒(也稱作結(jié))與周圍空氣(稱作熱阻抗)之間的總熱阻抗，即由結(jié)到環(huán)境之間的熱阻抗(ZJ-A)，將是結(jié)構(gòu)中每個(gè)單獨(dú)材料的單個(gè)熱阻抗的總和。

考慮到 在PCB上安裝的分立MOSFET。穩(wěn)態(tài)熱阻抗(或熱阻RJ-A)是結(jié)到器件外殼的熱阻(RJ-C)、器件外殼到散熱器的熱阻(RC-S)與散熱器到空氣的熱阻(RS-A)之和。(RJ-A=RJ-C+RC-S+RS-A)。此外，還可以有并行的散熱路徑，例如從MOSFET結(jié)經(jīng)過(guò)器件外殼到PCB，再?gòu)腜CB到環(huán)境溫度。

通常情況下，半導(dǎo)體制造商會(huì)給出結(jié)點(diǎn)到器件外殼的熱阻。另一方面，RC-S和RS-A主要取決于散熱器和PCB的屬性。許多因素會(huì)影響熱阻RC-A或RC-S，包括PCB的層數(shù)、到輔助面的過(guò)孔數(shù)、與其他器件的接近程度以及氣流速率。通常RJ-A會(huì)列在器件數(shù)據(jù)表中，但該數(shù)字是在特定測(cè)試板條件下得出的，因此僅適用于在相同條件下測(cè)量的器件之間的比較。

熱阻(RJA)是電子元器件的重要參數(shù)，因?yàn)樗瞧骷岬闹笜?biāo)(基于環(huán)境條件和 PCB布板)。換言之，RJ-A可以幫助我們根據(jù)環(huán)境條件和功耗估算工作結(jié)溫。

開(kāi)關(guān)電源中的散熱

電源管理電路中散熱考慮的典型示例，可以參考圖2所示美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體提供的LM3554電路。該器件是一個(gè)感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器，面向蜂窩電話應(yīng)用中的高功率閃光LED。LM3554是一個(gè)很好的測(cè)試工具，因?yàn)樗且粋€(gè)小型器件(1.6mm ( 1.6mm ( 0.6mm)，而且可以提供高達(dá)6W的輸出功率(（1.2A閃光電流在5V LED中）。即使提供85%左右的效率，相對(duì)較大的輸出功率能力和微小的16-bump μSMD封裝，該器件都需要承受較高的工作溫度。

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圖 2. 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 LM3554 閃光 LED 驅(qū)動(dòng)器測(cè)試電路

LM3554中的初始散熱效應(yīng)的主要表現(xiàn)是器件開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻增加和器件閾值的改變。在溫度過(guò)熱的極端情況下，該器件可能觸及熱關(guān)機(jī)閾值而導(dǎo)致關(guān)閉。知道準(zhǔn)確的RJ-A，可以幫助確定器件在功率運(yùn)行期間的結(jié)溫，并確保電路按照預(yù)期可靠地完成應(yīng)用的要求。

在可能的情況下，該器件能夠擁有3.6V的輸入電壓、3.6V的LED電壓和1.2A的LED電流。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器將輸出電壓升至高于VIN 300mV。這為器件的兩個(gè)并聯(lián)電流源(負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)LED電流）提供了300mV的凈電壓。

器件的總功耗將為同步PFET、NFET和兩個(gè)電流源的功耗之和。PFET和NFET的功耗在電阻元件上，因此必須使用RMS電流來(lái)準(zhǔn)確估算功耗。此電流就是RMS電感電流乘以開(kāi)關(guān)周期(NFET和PFET的導(dǎo)通時(shí)間)百分比。如果知道轉(zhuǎn)換器效率，可以用下面的等式算出占空比：

其中ΔIL為峰到峰值電感電流，在我們的示例中大約為140mA，ILDC是通過(guò)ILED/(1-D)算出的平均電感電流。

開(kāi)關(guān)中的總功耗變?yōu)镹FET(RDS_ON=125mΩ) 的45mW加 PFET(RDS_ON=152mΩ)的265mW。此外，電流源的功耗為300mV×1.2A=360mW，使得內(nèi)部總功耗達(dá)到668mW。數(shù)據(jù)表中給出的RJ-A為60℃/W，且來(lái)自4層JEDEC測(cè)試板(詳見(jiàn)JESD51-7)。使用該RJ-A時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)溫在TA=50℃時(shí)為83.4℃。這對(duì)器件將不構(gòu)成問(wèn)題，因?yàn)樗陀?50℃的熱關(guān)機(jī)閾值，且低于LM3554數(shù)據(jù)表中指定的最大工作結(jié)溫125℃。

在另一種情況下，可以將 LM3554設(shè)置為在同一閃光脈沖期間恒定輸出+5V。300mV電流源凈電壓現(xiàn)在變?yōu)?V–3.6V=1.4V，導(dǎo)致電流源功耗為1.68W。假設(shè)器件在以1.2A電流提供5V電壓時(shí)效率仍為90%，則占空比為35.2%，從而使直流電感電流1.85A具有288mA的ΔIL。NFET功耗現(xiàn)在為151mW，PFET功耗為338mW?？偟膬?nèi)部功耗2.169W，在TA=50℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致高達(dá)180℃的核心溫度，這比熱關(guān)機(jī)閾值高30℃，且比最大工作結(jié)溫高55℃。

在現(xiàn)實(shí)中，該設(shè)備不會(huì)安裝在4LJEDEC測(cè)試板上，而會(huì)安裝在具有不同布線面的PCB上，它靠近消耗功率的其他元件，且到低層的過(guò)孔數(shù)也各不相同。所有這些應(yīng)用變量，加之許多其他因素都會(huì)顯著影響RJ-A，從而降低結(jié)溫計(jì)算的準(zhǔn)確度。

測(cè)量熱阻抗(RJ-A和CJ-A）

我們需要的是代表實(shí)際電路的準(zhǔn)確RJ-A。測(cè)量RJ-A有多種方法，一種方法是使用熱關(guān)機(jī)閾值，將其設(shè)置為+150℃。要用這種方法測(cè)量RJ-A，我們可以讓LM3554在已知功耗(PDISS)下工作，然后慢慢提高環(huán)境溫度直到器件關(guān)機(jī)為止。該器件具有一個(gè)內(nèi)部標(biāo)志，可以通過(guò)I2C兼容接口設(shè)置，在觸及熱關(guān)機(jī)閾值時(shí)會(huì)返回‘1’。使用這種方法獲得的RJ-A將為：

?其中VF@TA是ESD二極管在TJ=TA時(shí)的VF，VF@SS是ESD二極管在已知功耗(PDISS)下TJ達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)溫度之后的VF。

最后一種方法是使用MOSFET的導(dǎo)通電阻隨溫度而發(fā)生的變化。這種方法是在器件處于上電模式時(shí)使用內(nèi)部PFET來(lái)完成。LM3554上的上電模式是指器件停止開(kāi)關(guān)并持續(xù)打開(kāi)PFET。如果VIN升至比VOUT高150mV時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。在那時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器無(wú)需提升VOUT，而PFET會(huì)使VIN直接到VOUT 。

因?yàn)殡娏饔行┹p微依賴MOSFET的導(dǎo)通電阻，所以有必要在電流接近目標(biāo)閃光電流時(shí)測(cè)量 PFET電阻。使用大測(cè)試電流的問(wèn)題是它們可能導(dǎo)致器件發(fā)熱?？朔藛?wèn)題的方法是將閃光超時(shí)時(shí)間設(shè)置為最低 32ms，并在示波器上測(cè)量PFET的電壓降。在+25℃到+125℃的情況下，使用1.2A閃光電流，結(jié)果顯示的斜率大約為 0.42mΩ/℃ 。要注意的一個(gè)事情是PFET通過(guò)VOUT引腳供電，因此VOUT=5V時(shí)，其導(dǎo)通電阻會(huì)低于VOUT=3.9V時(shí)的電阻值。