優(yōu)化電路性能和成本之電源散熱

編者注：當(dāng)產(chǎn)品系統(tǒng)的熱量增加時(shí)，系統(tǒng)的功耗就會(huì)成倍的增加，這樣在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)選擇更加大電流的解決方案，而這樣必定會(huì)帶來成本上的增加，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)，成本就會(huì)成倍成本的增加。下面就給大家分享一篇來自TI工程師關(guān)于電源散熱設(shè)計(jì)和仿真方面的文章。

散熱仿真是開發(fā)電源產(chǎn)品以及提供產(chǎn)品材料指南一個(gè)重要的組成部分。優(yōu)化模塊外形尺寸是終端設(shè)備設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，這就帶來了從金屬散熱片向 PCB 覆銅層散熱管理轉(zhuǎn)換的問題。當(dāng)今的一些模塊均使用較低的開關(guān)頻率，用于開關(guān)模式電源和大型無源組件。對(duì)于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路的電壓轉(zhuǎn)換和靜態(tài)電流而言，線性穩(wěn)壓器的效率較低。

隨著功能越來越豐富，性能越來越高，設(shè)備設(shè)計(jì)也變得日益緊湊，這時(shí) IC 級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的散熱仿真就顯得非常重要了。

一些應(yīng)用的工作環(huán)境溫度為 70 到 125℃，并且一些裸片尺寸車載應(yīng)用的溫度甚至高達(dá) 140℃，就這些應(yīng)用而言，系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行非常重要。進(jìn)行電子設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，上述兩類應(yīng)用的瞬態(tài)和靜態(tài)最壞情況下的精確散熱分析正變得日益重要。

散熱管理

散熱管理的難點(diǎn)在于要在獲得更高散熱性能、更高工作環(huán)境溫度以及更低覆銅散熱層預(yù)算的同時(shí)，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導(dǎo)致產(chǎn)生熱量組件較高的集中度，從而帶來在 IC 級(jí)和封裝級(jí)極高的熱通量。

系統(tǒng)中需要考慮的因素包括可能會(huì)影響分析器件溫度、系統(tǒng)空間和氣流設(shè)計(jì)/限制條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個(gè)層面分別為：封裝、電路板和系統(tǒng)（請(qǐng)參見圖 1）。

圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑

低成本、小外形尺寸、模塊集成和封裝可靠性是選擇封裝時(shí)需要考慮的幾個(gè)方面。由于成本成為關(guān)鍵的考慮因素，因此基于引線框架的散熱增強(qiáng)封裝正日益受到人們的青睞。這種封裝包括內(nèi)嵌散熱片或裸露焊盤和均熱片型封裝，設(shè)計(jì)旨在提高散熱性能。在一些表面貼裝封裝中，一些專用引線框架在封裝的每一面均熔接幾條引線，以起到均熱器的作用。這種方法為裸片焊盤的熱傳遞提供了較好的散熱路徑。

IC 與封裝散熱仿真

散熱分析要求詳細(xì)、準(zhǔn)確的硅芯片產(chǎn)品模型和外殼散熱屬性。半導(dǎo)體供應(yīng)商提供硅芯片 IC 散熱機(jī)械屬性和封裝，而設(shè)備制造商則提供模塊材料的相關(guān)信息。產(chǎn)品用戶提供使用環(huán)境資料。

這種分析有助于 IC 設(shè)計(jì)人員對(duì)電源 FET 尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以適用于瞬態(tài)和靜態(tài)運(yùn)行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片面積相當(dāng)大的一部分。散熱分析有助于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

選用的封裝一般會(huì)讓部分金屬外露，以此來提供硅芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關(guān)鍵參數(shù)如下：

硅芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。

功率器件面積和位置，以及任何發(fā)熱的輔助驅(qū)動(dòng)電路。

電源結(jié)構(gòu)厚度（硅芯片內(nèi)分散情況）。

硅芯片連接至外露金屬焊盤或金屬突起連接處的裸片連接面積與厚度?？赡馨闫B接材料氣隙百分比。

外露金屬焊盤或金屬突起連接處的面積和厚度。

使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸。

需提供模型所用每一種材料的熱傳導(dǎo)屬性。這種數(shù)據(jù)輸入還包括所有熱傳導(dǎo)屬性的溫度依賴性變化，這些傳導(dǎo)屬性具體包括：

硅芯片熱傳導(dǎo)性

裸片連接、鑄模材料的熱傳導(dǎo)性

金屬焊盤或金屬突起連接處的熱傳導(dǎo)性。

封裝類型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用

散熱仿真的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)是確定焊盤到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：

多層 FR4 電路板（常見的為四層和六層電路板）

單端電路板

頂層及底層電路板

散熱和熱阻路徑根據(jù)不同的實(shí)施方法而各異：

連接至內(nèi)部散熱片面板的散熱焊盤或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 頂層。

位于外露散熱焊盤或突起連接處下方PCB 上的一個(gè)開口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。

利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 的頂層。

另外，每層 PCB 上所用鍍銅的重量或厚度非常關(guān)鍵。就熱阻分析而言，連接至外露焊盤或突起連接處的各層直接受這一參數(shù)的影響。一般而言，這就是多層印刷電路板中的頂部、散熱片和底部層。

大多數(shù)應(yīng)用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2 盎司銅=2.8 mils或 71 μm）外部層，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅= 1.4 mils 或 35μm）內(nèi)部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費(fèi)類電子應(yīng)用中，一些應(yīng)用甚至?xí)褂?0.5 盎司重的覆銅（0.5 盎司銅= 0.7 mils 或 18 μm）層。

模型資料

仿真裸片溫度需要一張 IC 平面布置圖，其中包括裸片上所有的電源FET 以及符合封裝焊接原則的實(shí)際位置。

每一個(gè) FET 的尺寸和縱橫比，對(duì)熱分布都非常重要。需要考慮的另一個(gè)重要因素是 FET 是否同時(shí)或順序上電。模型精度取決于所使用的物理數(shù)據(jù)和材料屬性。

模型的靜態(tài)或平均功耗分析只需很短的計(jì)算時(shí)間，并且一旦記錄到最高溫度時(shí)便出現(xiàn)收斂。

瞬態(tài)分析要求功耗－時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)。我們使用了比開關(guān)電源情況更好的解析步驟來記錄數(shù)據(jù)，以精確地對(duì)快速功率脈沖期間的峰值溫度上升進(jìn)行捕獲。這種分析一般費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，且要求比靜態(tài)功率模擬更多的數(shù)據(jù)輸入。

該模型可仿真裸片連接區(qū)域的環(huán)氧樹脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環(huán)氧樹脂/鍍層氣孔都會(huì)影響封裝的熱阻（請(qǐng)參見圖 2）。

圖 2 熱傳遞的熱阻路徑

散熱定義

Θja—表示周圍熱阻的裸片結(jié)點(diǎn)，通常用于散熱封裝性能對(duì)比。

·Θjc—表示外殼頂部熱阻的裸片結(jié)點(diǎn)。

·Θjp—表示外露散熱焊盤熱阻的芯片結(jié)點(diǎn)，通常用于預(yù)測(cè)裸片結(jié)點(diǎn)溫度的較好參考。

Θjb—表示一條引線熱阻路徑下電路板的裸片結(jié)點(diǎn)。

PCB 與模塊外殼的實(shí)施

數(shù)據(jù)表明需要進(jìn)行一些改動(dòng)來降低頂部層附近裸片上的 FET 最高溫度，以防止熱點(diǎn)超出 150C 的 T 結(jié)點(diǎn)（請(qǐng)參見圖 3）。系統(tǒng)用戶可以選擇控制該特定序列下的功率分布，以此來降低裸片上的功率溫度。

圖 3 由散熱仿真得到的一個(gè)結(jié)果示例

散熱仿真是開發(fā)電源產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分。此外，其還能夠指導(dǎo)您對(duì)熱阻參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，涵蓋了從硅芯片 FET 結(jié)點(diǎn)到產(chǎn)品中各種材料實(shí)施的整個(gè)范圍。一旦了解了不同的熱阻路徑之后，我們便可以對(duì)許多系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以適用于所有應(yīng)用。

該數(shù)據(jù)還可以被用于確定降額因子與環(huán)境運(yùn)行溫度升高之間相關(guān)性的準(zhǔn)則。這些結(jié)果可用來幫助產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)其設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅