電源管理系統(tǒng)熱模型的建模和驗(yàn)證

最近，熱評(píng)估已成為電源管理系統(tǒng)中的熱門話題。隨著許多應(yīng)用對(duì)功率要求的提高，應(yīng)考慮熱管理以避免過(guò)熱。尤其是在芯片中集成了功率MOSFET的DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，其功耗面臨著封裝尺寸和PCB布局面積有限的挑戰(zhàn)。因此，熱評(píng)估應(yīng)包含在項(xiàng)目預(yù)覽中。Flotherm 是一款專業(yè)的熱模擬工具，用于模擬熱系統(tǒng)的真實(shí)情況，有助于減少不必要的試錯(cuò)過(guò)程成本。在本應(yīng)用筆記中，將討論電源管理系統(tǒng)熱模型的建模和驗(yàn)證。

1. IC 熱模型建模

根據(jù)不同的應(yīng)用和要求，有多種 IC 封裝。封裝尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、裸片尺寸和功耗曲線等幾個(gè)參數(shù)都會(huì)影響 IC 的熱阻。一般這些參數(shù)可以由IC產(chǎn)品工程師（PE）提供，根據(jù)上述參數(shù)開發(fā)熱模型。以下是一些適用于 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器和 PMIC 的常見 IC 封裝。

1. 不同類型的 IC 封裝

圖2. 熱模型構(gòu)建示例

圖 2 是安裝在 PCB 上的芯片的熱模型構(gòu)建示例。IC 的熱模型由 die、die attach、lead-frame die pad 和焊膏組成，它們各自具有不同的熱導(dǎo)率，這取決于它們的材料。一般管芯的材料是硅，其電導(dǎo)率為117.5 W/（K·m）。其他材料特性例如可以參考下表1。導(dǎo)熱系數(shù)可能會(huì)隨著不同的材料而變化。請(qǐng)注意，物體的（絕對(duì)）熱阻（以 K/W 為單位）取決于熱導(dǎo)率、熱路徑的長(zhǎng)度和橫截面：

其中 θ 是絕對(duì)熱阻，Δl 是熱路徑的長(zhǎng)度， A 是熱路徑的橫截面積，k 是材料的熱導(dǎo)率。

表 1. IC 熱模型的熱導(dǎo)率

2. 電感熱模型建模

除 IC 外，電感可以看作是開關(guān)電源變換器系統(tǒng)中的第二大熱源。因此，電感熱模型的開發(fā)是必不可少的。與 IC 的模型類似，建立準(zhǔn)確的電感器熱模型需要一些信息。首先，我們可以在數(shù)據(jù)表中找到電感的外形尺寸，包括長(zhǎng)度、寬度和高度（見圖 3）。其次，由于外部障礙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不可見的。有兩種方法可以獲取所需的參數(shù)。一種是拆掉電感，測(cè)量?jī)?nèi)部布線配置，如線材粗細(xì)、匝數(shù)等。另一種更溫和的方法是向電感器制造商詢問(wèn)信息。然后您可以按照信息建立電感器的熱模型，如圖 4 和圖 5。

圖3. 電感器外形尺寸

圖 4. 制造商提供的電感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5. Flotherm 開發(fā)的電感器熱模型

電感材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表 2 所示。需要注意的是，大部分熱量會(huì)通過(guò)銅線傳遞到外部電源走線。這是因?yàn)殂~的熱導(dǎo)率高于鐵氧體，所以大部分熱量會(huì)通過(guò)熱導(dǎo)率最高的路徑流動(dòng)。

表2. 電感熱模型的熱導(dǎo)率

3. PCB熱模型建模

在對(duì)主要熱發(fā)生器（IC 和電感器）進(jìn)行建模后，下一步是開發(fā)散熱器。在大多數(shù)使用 SMD 組件的電源轉(zhuǎn)換器中，PCB 對(duì)功耗起著重要作用。傳熱有三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。當(dāng)產(chǎn)生溫差時(shí)，熱量將開始從高溫區(qū)向低溫區(qū)流動(dòng)。大多數(shù)熱量將選擇熱阻最小的路徑，即通過(guò)焊料到銅的 PCB 傳導(dǎo)。圖 6 顯示了安裝在 PCB 上的 IC 的熱阻網(wǎng)絡(luò)示例。

圖6. 熱阻網(wǎng)絡(luò)示例

花一些時(shí)間在 PCB 布局安排上是至關(guān)重要的。一般來(lái)說(shuō)，PCB走 線越寬越厚，熱阻越小。但是，如果 IC 封裝尺寸較小，PCB 走線寬度也會(huì)受到限制。在傳熱和布局規(guī)則之間會(huì)有一個(gè)權(quán)衡。例如，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的 PCB 走線應(yīng)始終足夠大以維持電流，但也應(yīng)足夠小以減少噪聲耦合。在具有多層設(shè)計(jì)的 PCB 中添加熱通孔是改善熱傳遞的一種解決方案。在 Flotherm 仿真工具中，建議將圓形 Vias 轉(zhuǎn)換為矩形 Vias，以減少收斂周期。使用公式（1）和（2）來(lái)完成轉(zhuǎn)換很簡(jiǎn)單。圖 7 演示了轉(zhuǎn)換示意圖。

圖7. 圓形過(guò)孔到矩形過(guò)孔的轉(zhuǎn)換

4. 電源管理系統(tǒng)熱模型驗(yàn)證

建立每個(gè)組件的熱模型后，就可以進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試以驗(yàn)證熱模型的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證分為兩個(gè)步驟。第一步是一次只用一個(gè)熱源檢查每個(gè)組件的準(zhǔn)確性。第二步是使用熱模型檢查整個(gè)電源管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖 8 給出了 RT6228 的 IC 熱模型。RT6228 是一款 HV 單 Buck 轉(zhuǎn)換器，封裝類型為 UQFN-12HL 3x3-56B （FC）。倒裝芯片的設(shè)計(jì)可以降低引線鍵合阻抗以提高效率，同時(shí)也會(huì)降低芯片到IC引腳的熱阻。需要注意的是，IC 熱模型的發(fā)熱區(qū)域?qū)⑽挥趦?nèi)部功率 MOSFET 的區(qū)域。在這種情況下，發(fā)熱區(qū)域位于芯片的下半部分。如果一個(gè)芯片中有多個(gè)導(dǎo)軌，比如 PMIC，就會(huì)有多個(gè)熱源。在這種情況下，應(yīng)根據(jù)每個(gè)導(dǎo)軌的位置將加熱區(qū)域分開。

圖8. RT6228 的 IC 熱模型

RT6228 EVB 的熱模型如圖 9 所示。熱模型的布局是根據(jù)實(shí)際 EVB 完成的（圖 9 左側(cè)）。它是 1oz 四層設(shè)計(jì)，EVB 尺寸為 100mm x 72mm。許多熱通孔放置在 IC GND 和 VIN 平面中，以改善向其他層的熱傳遞。由于電源層和接地層是影響熱傳遞的主要因素，因此可以在 PCB 熱模型中簡(jiǎn)化其他控制回路走線。

圖9. PCB 的熱模型

由于IC在沒(méi)有外部元件的情況下無(wú)法工作，因此芯片上產(chǎn)生的熱源是一個(gè)問(wèn)題。另一種方法是通過(guò)內(nèi)部功率 MOSFET 的體二極管注入恒定電流。為了確認(rèn)不同功耗下熱模型的準(zhǔn)確性，有三種不同級(jí)別的注入電流來(lái)加熱芯片。表 3 顯示了 IC 熱模型的驗(yàn)證結(jié)果，以及仿真和實(shí)驗(yàn)的外殼溫度比較。本實(shí)驗(yàn)中，電流注入高邊MOSFET的體二極管產(chǎn)生功率耗散，環(huán)境溫度約為25°C。結(jié)果表明，仿真與實(shí)驗(yàn)之間只有2%的溫度偏差。

表3. IC 熱模型驗(yàn)證

電感器熱測(cè)量如下所示。與IC熱模型驗(yàn)證類似，電感放置在PCB上，發(fā)熱源為電感銅線。功率耗散是由電感繞組的 DCR 通過(guò)將電流注入導(dǎo)線而產(chǎn)生的。電感器的功率損耗可以通過(guò)將電感器兩側(cè)的差分電壓乘以注入電流來(lái)計(jì)算。最后驗(yàn)證結(jié)果如表4所示，測(cè)量與仿真的溫度偏差在3%左右。

表4. 電感熱模型驗(yàn)證

此外，以下是使用熱像儀 （Fluke Ti450） 測(cè)量電感器外殼溫度時(shí)需要注意的一些技巧。由于電感封裝的反射系數(shù)高于IC封裝，因此IR測(cè)量會(huì)不準(zhǔn)確。為了降低電感的反射系數(shù)，在電感表面貼一塊黑色電工膠帶，有助于提高發(fā)射率。圖 10 是電感溫度測(cè)量的示例。EVB放置在密封箱內(nèi)，用于靜止空氣狀態(tài)，熱耦合器用于監(jiān)測(cè)箱內(nèi)環(huán)境溫度。使用熱像儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，正確調(diào)整焦距對(duì)精度至關(guān)重要。此外，在每個(gè)測(cè)試條件下等待熱平衡至少 15 分鐘。

圖10. 電感溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在前面的步驟中，驗(yàn)證了每個(gè)組件的熱模型精度。在下一步中，所有這些組件將被組合起來(lái)，以確認(rèn)完整的電源管理系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)整輸出反饋電阻，RT6228 可支持 0.6V 至 5V 的輸出電壓。為了驗(yàn)證不同功耗的熱模型，有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)案例來(lái)驗(yàn)證熱模型。詳細(xì)的仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表 5 和表 6。在每個(gè)測(cè)試條件下，功耗被分為三個(gè)分量：IC 的功耗、電感的功耗和 PCB 走線的功耗。因此，仿真設(shè)置將取決于功耗的分布。此外，所有情況都是在 25°C 的環(huán)境溫度下完成的。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 11 和圖 12 所示。對(duì)于案例 1，輸出電壓為 3.3V，負(fù)載條件為 6A。IC的功率損耗，PD_IC為 1.73W，電感器的功率損耗 P D_L為 0.93W，PCB 的功率損耗 P D_PCB為 0.3W。電感的功率損耗包括銅損和磁芯損耗，其中銅損通過(guò)I L 2 xDCR 計(jì)算，磁芯損耗可以在電感制造商的數(shù)據(jù)表中找到。在這種情況下，電感器 DCR 為3.3m W，鐵損約為 0.81W。PCB的功率損耗通過(guò)I PCB 2 xR PCB計(jì)算，其中PCB走線電阻可分為兩部分：一是輸入電容到VIN管腳的走線電阻，約為4m W， 另一個(gè)是 SW 腳到輸出電容的走線電阻，大約8m W。然后根據(jù) （P D_IC = P D_TOTAL – P D_L – P D_PCB ）計(jì)算 IC 功率損耗。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，IC外殼溫度幾乎相同，電感溫度偏差小于5%。對(duì)于案例 2，輸出電壓為 1V，負(fù)載條件為 6A。IC 的功率損耗 P D_IC為 1.53W，電感器的功率損耗 P D_L為 0.286W，PCB 的功率損耗 P D_PCB為 0.3W。在這種情況下，電感器 DCR 為 3.3m W鐵損約為0.167W。PCB 走線電阻與案例 1 中的相同。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，IC外殼溫度偏差僅為2%，電感溫度偏差小于5%。

表5 案例一的仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖11. 案例 1 的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 案例 2 的仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖12 案例 2 的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

五、總結(jié)

在本應(yīng)用筆記中，對(duì)電源管理系統(tǒng)熱模型的建模和驗(yàn)證進(jìn)行了說(shuō)明。報(bào)告中描述了 IC、電感器和 PCB 熱模型的開發(fā)。驗(yàn)證結(jié)果顯示仿真和測(cè)量之間的偏差很小。最后，通過(guò)精確的熱模型仿真，可以預(yù)測(cè)應(yīng)用的熱行為，防止過(guò)熱等熱問(wèn)題。這將有利于縮短開發(fā)時(shí)間并避免因反復(fù)試驗(yàn)而產(chǎn)生的額外成本。