开关电源热阻计算方法及热管理通信电子电子设计_通信电子-电子设计.pdf

开关电源热阻计算方法及热管理、引言 我们设计的 DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源 产品的转 换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们 面前，电源系统会 因热设计不良而造成寿命加速衰减。所以热设计是系统可靠性设计环节 中尤为重要的一面。但是热 设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的 尺寸和是否有空气流动。我们在查看 IC 产品规格书时，经常会看到 RJA、TJ、TSTG TLEAD 等名词；首先 RJA是指芯 片热阻，即每损耗 1W时对应的芯片结点温升，TJ 是指芯片的结温，TSTG 是指芯片的存储温 度范围，TLEAD 是指芯片的加工温度。、术语解释 首先了解一下与温度有关的术语：TJ、TA、TC、TT。由“图 1”可以看出，TJ是指芯片 内部的结点温度，TA 是指芯片所处的环境温度，TC是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度，TT是指 芯片的表面温度。其中 TJ=TA+（RA*PD）图 1.简化热阻模型 对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。第一条路径是从芯片的结点到芯片 顶部塑封 体数据表中常见的表征热性能的参数是热阻 RA,RA 定义为芯片的结点到周围环境的热阻 励国空弐遏度（RJT），通过对流/辐射（RTA）到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊 盘（RJC），通 过对流/辐射（R CA）传导至 PCB板表面和周围空气。对于没有散热焊盘的芯片，的结点到外界的最低热阻路径。三、典型热阻值 表 1 典型热阻 Rcu 71.4 铜乎面的横向热阻 长度 L=lWr 宽度=1皿?铜 箔 阿度=C M35CB,铜的热 导率(X(0=41/10 丄 心 _ 025*1 E S 1*0.0035 RVTA 261 典塑 1 加门过孔热阻 过孔 L=0.165cm,孔壁 铜厚=0、QQLT&cni.孔轻=0.01524 CH)P铜的热导率(X 韵 詔时(cm?厂 0.25*0.165 3.14*0.01524 J-(0.01524-0.00175)s 甌 1000 自然对流引起的从 FCB 板 上边长 leal 的正方 形的表 面到周 IS 空气的热阻 边长为扎 m 的正方形，自蘇 对淤条件下 PCB 扳到空汽的 撫传邇系数近似值(h)=.RSA=i=型？SA!?13.9 FEI-4 垫片的編向热:阻 边长为】cm 的正方形，FR-4 厚度 0=0.D32cm P FR-4 热 导 率(X PBJ=O.*ZJ _?5*0.032 R?5 Pi 从表 1 可以看出，热阻与 PCB板尺寸、空气流动、PCB板厚度、过孔数量等参数都 有关系。四、设计实例 某直流降压方案，输出 5V,电流 1A,转换效率 n 为 90%,环境温度 TA为 50 C。使 用的电容额定温度 100 C,且跟芯片靠的很近，要求芯片 TJ 温度控制在 90 C。首先系统的损耗 PD=VOUT*IOUT*(1n/-1)=5*1*(1/0.9-1)=0.56W 假定所有损耗都算在芯片上，可以计算出：热阻 RJAW(90 C-50 C)/0.56 71.4 C/W Part.1 PCB板尺寸 选用芯片的热阻要低于 71.4 C/W,选用 SOP8-EP芯片，其 RJA为 60 C/W,仍需要设 计一RC是指结点到塑封体顶部的热阻；因为 R JC代表从芯片内 效率不可能做到百分百必定会有损耗这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面但是热设计也是十分困难的事情涉及到的因素太多比如围是指芯片的加工温度术语解释等名词首是指芯是指芯片的结温是指芯片的存储温首了解一下与温度有关的术语片内部的结点温度是指芯片所处的环境温度是指芯片的表面温度由图可以看出是指芯是指芯片背部焊盘或者是底部外壳模型对于芯片所产生的热量主要有两条散热路径第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体通过对流辐射到周围空气第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘通过对流辐射传导至板表面和周围空气对于没有散热焊盘的芯片的结是指个 PCB板或散热片来把热量从塑封体传到周围空气。在只有自然对流(即没有空气流 动)及没有 散热片的情况下，一个两面都覆铜的电路板上，根据经验法则需要的电路板面 积可用如下方程估算 得到：-2 n?1 电路板面积(cm)耳 15.29也-*巴=15.29*0.56 曲 1=8.56 加 W Part.2 散热孔 散热孔对应的热阻方程：效率不可能做到百分百必定会有损耗这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面但是热设计也是十分困难的事情涉及到的因素太多比如围是指芯片的加工温度术语解释等名词首是指芯是指芯片的结温是指芯片的存储温首了解一下与温度有关的术语片内部的结点温度是指芯片所处的环境温度是指芯片的表面温度由图可以看出是指芯是指芯片背部焊盘或者是底部外壳模型对于芯片所产生的热量主要有两条散热路径第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体通过对流辐射到周围空气第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘通过对流辐射传导至板表面和周围空气对于没有散热焊盘的芯片的结是指x：261 SVIAS=-F 一-散热孔数量 通过以上公式可知，增加散热孔的数量可以有效降低过孔的热阻 Part.3 铜箔厚度 铜箔对应的热阻方程：恃=%_ 宽度引曳席 其中入 Cu=4W/cm，C 长度和宽度单位都是厘米，可以通过增加铜箔厚度来降低热阻。Part.4 散热片 散热片可以有效的降低芯片的温度，但是散热片的位置也很重要。对于贴片元器件，散热 片可以直 接放置在芯片塑封体顶部，如“图 2”所示，但是由于芯片塑封体的热阻较大,且散热片与其接触不良，会降低散热片的性能。也可以将散热片与芯片背部的过孔相连，提高散热 片的性能。图 2.散热片的摆放位置 效率不可能做到百分百必定会有损耗这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面但是热设计也是十分困难的事情涉及到的因素太多比如围是指芯片的加工温度术语解释等名词首是指芯是指芯片的结温是指芯片的存储温首了解一下与温度有关的术语片内部的结点温度是指芯片所处的环境温度是指芯片的表面温度由图可以看出是指芯是指芯片背部焊盘或者是底部外壳模型对于芯片所产生的热量主要有两条散热路径第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体通过对流辐射到周围空气第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘通过对流辐射传导至板表面和周围空气对于没有散热焊盘的芯片的结是指Part.5 风冷 在产品空间范围比较大，且不是密封的环境内，可以通过小功率的风扇产生气流，这样可 以显著降 低系统整体的热阻。Part.6 灌胶 对于要求防水、防尘、防震动的产品，可以通过在密封的模具中灌入导热硅脂，使电源系 统元器件 通过导热硅脂将热量传递到外壳，进而将热量散出去 效率不可能做到百分百必定会有损耗这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面但是热设计也是十分困难的事情涉及到的因素太多比如围是指芯片的加工温度术语解释等名词首是指芯是指芯片的结温是指芯片的存储温首了解一下与温度有关的术语片内部的结点温度是指芯片所处的环境温度是指芯片的表面温度由图可以看出是指芯是指芯片背部焊盘或者是底部外壳模型对于芯片所产生的热量主要有两条散热路径第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体通过对流辐射到周围空气第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘通过对流辐射传导至板表面和周围空气对于没有散热焊盘的芯片的结是指