了解數(shù)據表熱參數(shù)和IC結溫

在轉換數(shù)據表的熱阻參數(shù)時，關于如何做出有意義的設計決策存在很多混淆。這篇介紹性文章將幫助當今的硬件工程師了解如何解讀數(shù)據表中的熱參數(shù)——包括是否選擇 theta 與 psi、如何計算這些值，以及最重要的是，如何以實用的方式將這些值應用于設計。 本文還將介紹應用環(huán)境溫度之間的關系，以及它們與 PCB 溫度或 IC結溫的比較。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實現(xiàn)冷卻運行、成本優(yōu)化的解決方案。

電熱類比

為了更容易地理解熱量，可以在熱量和電量之間進行某些類比。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系（1）

注：

1） 該表的內容來自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

電和熱類比方程

電量和熱量可以在網絡中計算，并且與基爾霍夫規(guī)則相當（見表 3）。

表 3：電和熱過程方程之間的類比（3）

注：

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

數(shù)據表中的熱阻（θ JA和 θ JC）

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

圖 1：數(shù)據表中的熱阻（θ JA和 θ JC）規(guī)格

圖 2 顯示了具有 5V/2A 輸出的典型 MPQ4572 應用電路。

圖 2：具有 5V/2A 輸出的 MPQ4572 典型應用電路

什么是結到環(huán)境熱阻 （θ JA ）？

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

因此，給定的 θ JA僅對其定義的 PCB 有效。認為 θ JA是一個可以在所有 PCB 上使用的常數(shù)是一個常見的錯誤。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） 計算：

注：

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

如果 MPQ4572 在 4 層上，則為 2oz。銅質 MPS 測試 PCB（8.9cmx8.9cm），其 θ JA可以用公式（2）計算：

圖 3 顯示了EVQ4572-QB-00A，這是 MPQ4572 的評估板。

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評估板

當 R T = 25°C時，EVQ4572-QB-00A 的功耗為 1.1W 。對于 JESD51-7 板，結溫 （T J ） 可以通過等式 （3） 估算：

什么是結到外殼熱阻 （θ JC ）？

θ JC定義為封裝底部結到外殼溫度的熱阻。該溫度是在靠近引腳處測量的。使用 θ JC和等式 （4）計算結溫：

其中 Heatflow JC是從結流到外殼的熱量。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 上的測量值。

圖 4：結到外殼熱阻 （θ JC ）

θ JC不能用于定制 PCB 上的測量有兩個原因：

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，因此應該使用 JEDSD51-7 PCB 進行比較，因為已經研究和測量了其參數(shù)。

從定制 PCB 封裝流出的實際熱量是未知的，而 JEDSD51-7 PCB 已經測量了該參數(shù)?？紤]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）和通過對流從封裝表面輻射到環(huán)境的熱流。

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

希臘字母 Ψ 的名稱是 psi。Ψ JT和 Ψ JB在 JESD51-2A 中進行了描述。當設計人員知道總電氣設備功率時，可以使用 Psi。器件功率通常很容易測量，通過使用 psi 計算，用戶可以直接計算出電路板的結溫。

Ψ JT和 Ψ JB是在特定環(huán)境下的測量表征的虛擬參數(shù)。結溫可以用公式 （6） 計算：

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。

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 theta （θ） 和 psi （Ψ） 之間的差異：

使用熱網絡計算

圖 5 顯示了可以轉換為等效線性電氣網絡的熱網絡。θ JA是結點與環(huán)境空氣之間等效熱阻的典型名稱。

圖 5：IC 和 PCB 的熱網絡圖

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

隨著網絡規(guī)模和詳細程度的增加，這種計算變得越來越復雜。硬件開發(fā)人員通常缺乏有關尺寸、材料常數(shù)和熱流的精確信息。布局和熱程序可以通過有限元計算以圖形方式表示熱分布，是避免大型數(shù)學計算的不錯選擇。

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來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（見圖 6）。這意味著 VIA1 可以在兩層之間傳輸更大的熱流，從而實現(xiàn)更有效的冷卻。靠近封裝放置的通孔最有效。

圖 6：直流開關電源 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，因為散熱片會影響熱傳輸。

通孔改善層間的熱流。GND 和穩(wěn)定電位是熱過孔的合適位置。填充和封蓋的通孔提高了導熱性，并且可以直接放置在表面貼裝技術 （SMT） 焊盤下方。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 的過孔（例如開關節(jié)點），因為這會降低 EMC 性能。

FR4是一種廣泛使用的PCB環(huán)氧樹脂材料，由于其環(huán)氧樹脂和玻璃纖維不能很好地導熱，因此導熱率低。在 PCB 層之間放置銅通孔以改善層之間的熱連接。某些 PCB 材料的導熱性是 FR4 的 4 到 8 倍。

結論

MPS的MPQ4572用于展示熱參數(shù)如何與電量和網絡類似，并且兩者可以相互轉換。工程師經常使用的電量有助于快速了解 PCB、環(huán)境和半導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)據表中列出，使設計人員可以比較不同封裝的熱特性。表征熱阻（Ψ JT和 Ψ JB）允許設計人員計算定制應用的結溫。在 IC 表面的頂部進行溫度測量，可以輕松獲得準確的結溫。

審核編輯：郭婷