PCB外殼的構(gòu)造和配置如何影響功率MOSFET器件的溫度

在前一章中考慮了不同的PCB和器件配置對熱行為的影響。通過對多種情況的分析和比較，可以得出許多關(guān)于提供LFPAK MOSFETs散熱片冷卻的最佳方式的結(jié)論。

在第4章中考慮的所有PCB配置都有一個(gè)共同點(diǎn)——它們都在20℃的環(huán)境溫度下的自由空氣中。方案中沒有包括外殼。然而，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，我們可能不會有沒有PCB外殼。為了保護(hù)PCB不受環(huán)境因素的影響，再加上可能考慮到電磁兼容性(EMC)，幾乎可以肯定的是，PCB將被安裝在某種形式的外殼內(nèi)。不可避免地，外殼會干擾PCB周圍空氣的自由流動，因此也會對系統(tǒng)的熱性能產(chǎn)生影響。

在這一章中，我們將仔細(xì)觀察一個(gè)外殼的構(gòu)造和配置如何影響功率MOSFET器件內(nèi)部的工作溫度。將要考查的因素包括:

?外殼材料和外殼表面處理

?上殼，下殼和周圍的內(nèi)部間距PCB

?PCB的底部冷卻(即PCB的底部表面與外殼的內(nèi)部表面接觸)

?MOSFET器件的頂部冷卻(器件頂部與外殼的內(nèi)部表面接觸)

?封裝在封裝內(nèi)部的作用，即PCB周圍的氣隙部分或完全被封裝化合物填充

?靠近艙壁的“模塊”

為了使可能的變量數(shù)目合理化，我們將只考慮一種PCB配置，取自第4章。附件加上

PCB將在以后被稱為“模塊”。

與第四章一樣，本章的熱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是利用熱模擬軟件進(jìn)行的。這些模擬使用了MOSFET 模型，這些模型已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并且已知能夠精確地模擬真實(shí)器件的熱表現(xiàn)。

用于進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析的熱模擬軟件是Mentor graphic(Flomerics)“FloTHERM”軟件包。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中使用的器件模型可以從Nexperia的網(wǎng)站上免費(fèi)下載。

模塊模型

PCB特點(diǎn)

為了盡量減少可能變量的數(shù)量，我們將只考慮一個(gè)PCB配置，取自4.5.4節(jié)。PCB如圖1所示。

圖1：PCB模型

PCB的主要特點(diǎn)是:

?整體PCB尺寸80mmx120mm，厚度1.6mm標(biāo)準(zhǔn)

?FR4 PCB材料

?1盎司/35μm銅層厚度

?頂層銅-每個(gè)器件15mmx15mm的面積，連接到器件Tab(如圖)底部銅-每個(gè)器件也15mmx15mm的面積，通過散熱過孔連接到頂層銅

?內(nèi)部層-平均50%的面積覆蓋

?散熱過孔-在每個(gè)器件下，5×4散熱過孔的圖案為0.8mm內(nèi)徑器件間距d=25mm

?每臺器件的功耗為0.5W

第四章指出單個(gè)Mosfet的位置對他們的運(yùn)行溫度的影響很小,影響只有大約±1℃。

外殼特點(diǎn)

在本章的整個(gè)過程中，將會有一些不同的外殼特征。但是，一些通用的特性將始終保持不變:

?外殼是完全密封的，沒有孔或縫。

?外殼的壁厚為2mm，與外殼材料無關(guān)。

?外殼能夠通過對流、傳導(dǎo)和輻射機(jī)制向外界環(huán)境散失熱能。

在本設(shè)計(jì)指南中可能會考慮到幾種不同的外殼材料。為了將變量的數(shù)量保持在可控的水平，同時(shí)還提供了對典型材料的有用的現(xiàn)實(shí)分析，我們將把重點(diǎn)限制在以下三個(gè)變量上，如表1所示。表1概述了外殼材料及其性能

表面輻射適用于外殼的內(nèi)外表面。

圖2顯示了一個(gè)示例模塊。注意，外殼的頂部和一側(cè)都是透明的，這樣可以看到PCB的位置。

圖2所示一個(gè)模塊

軸命名約定

在本章中，我們將考慮在三個(gè)空間方向上移動或調(diào)整物體尺寸的影響。因此，我們需要一個(gè)引用這些方向的約定，如圖2中的箭頭所示。

例如，當(dāng)我們在PCB (x方向)的短邊增加PCB和外殼之間的間隙時(shí)，這將被稱為“x-gap”。同樣，PCB上面和下面的間隙將被稱為“y-gap”，等等。

周圍的環(huán)境

該模塊位于具有以下特征的環(huán)境中:

?在20℃的環(huán)境溫度下，該模塊被自由空氣包圍

?沒有應(yīng)用的氣流，盡管該模塊能夠通過外部表面的自然對流過程產(chǎn)生氣流

?通過對流、傳導(dǎo)和輻射過程，環(huán)境可以自由地與模塊交換熱能

潛在的熱路徑

有許多可能的路徑，熱量可以通過PCB傳播。這些路徑利用了傳導(dǎo)、對流和輻射的三種傳熱機(jī)制，如圖3所示。

圖3：潛在的熱路徑

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