開關(guān)電源熱阻計(jì)算方法及熱管理

1、開關(guān)電源熱阻計(jì)算方法及熱管理我們設(shè)計(jì)的DC-DC電源一般包含電容、電感、肖特基、電阻、芯片等元器件；電源 產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率不可能做到百分百，必定會有損耗，這些損耗會以溫升的形式呈現(xiàn)在我們 面前，電源系統(tǒng)會因熱設(shè)計(jì)不良而造成壽命加速衰減。所以熱設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié) 中尤為重要的一面。但是熱設(shè)計(jì)也是十分困難的事情，涉及到的因素太多，比如電路板的 尺寸和是否有空氣流動。我們在查看IC產(chǎn)品規(guī)格書時，經(jīng)常會看到R、T、T、T 等名詞；首先R是指芯 片熱阻，即每損耗1W時對應(yīng)的芯片結(jié)點(diǎn)溫升，T是指芯芹的結(jié)溫，T是指芯片的去存儲溫 度范圍，tlead是指芯片的加工溫度。JSTG二、術(shù)語解釋首先了解一下與溫

2、度有關(guān)的術(shù)語：T、T、T、T。由“圖1 ”可以看出，T是指芯片J A C TJ內(nèi)部的結(jié)點(diǎn)溫度，Ta是指芯片所處的環(huán)境溫度，TC是指芯片背部焊盤或者是底部外殼溫度， Tt是指芯片的表面溫度。數(shù)據(jù)表中常見的表征熱性能的參數(shù)是熱阻 R a，RA定義為芯片的結(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的熱阻。其中 = Ta +(Rja *Pd)J JA圖1.簡化熱阻模型對于芯片所產(chǎn)生的熱量，主要有兩條散熱路徑。第一條路徑是從芯片的結(jié)點(diǎn)到芯片 頂部塑封體(R )，通過對流/輻射(R )到周圍空氣；第二條路徑是從芯片的結(jié)點(diǎn)到背部焊 盤(Rjc)，通過對流/輻射(Rca)傳導(dǎo)至TPCB板表面和周圍空氣。對于沒有散熱焊盤的芯片，Rjc是指

3、結(jié)點(diǎn)到塑封體頂部的熱阻；因?yàn)镽jc代表從芯片內(nèi)的結(jié)點(diǎn)到外界的最低熱阻路徑。KK三、典型熱阻值表1典型熱阻名稱值(C/W)描述工作條件方程Rcu71. 4銅平面的橫向熱阻長度L=lcm,寬度=lcm,銅 箔厚度=0. 0035cm,銅的熱 導(dǎo)率(XJMW/Ccmr)r =_ 0.25*1S1*0.0035Rvia261典型12mil過孔熱阻過孔長度L=0. 165cm,孔壁 銅厚=0. 00175cm,孔徑 =0. 01524cm,銅的熱導(dǎo)率 (Acu)=4W/(cnfC)Rg 飛L_0.25*0.165 3.14 *0.015242 -(0.01524-0.00175)2Rsa1000自然對流

4、引起的從PCB板 上邊長1cm的正方形的表 面到周圍空氣的熱阻邊長為1cm的正方形，自然 對流條件下PCB板到空氣的 熱傳遞系數(shù)近似值 (h)=0. 001W/(cm2，C)R =K 一10SA s1*1ReTR413. 9FR-4墊片的縱向熱阻邊長為1cm的正方形，F(xiàn)R-4 厚度 D=0. 032cm, FR-4 熱導(dǎo) 率(XFR4)=0. 0023W/(cmC)-1*z)_ A435*0.032FR4$1*1從表1可以看出，熱阻與PCB板尺寸、空氣流動、PCB板厚度、過孔數(shù)量等參數(shù)都 有關(guān)系。四、設(shè)計(jì)實(shí)例某直流降壓方案，輸出5V，電流1A，轉(zhuǎn)換效率n為90%，環(huán)境溫度TA為50C。使 用的

5、電容額定溫度100C，且跟芯片靠的很近，要求芯片 TJ溫度控制在90C。首先系統(tǒng)的損耗 PD=VOUT*IOUT*(1/ n -1)=5*1* (1/0.9-1 ) =0.56W假定所有損耗都算在芯片上，可以計(jì)算出：熱阻 RJA W (90 C -50 C )/0.56 W 71.4 C /WPart.1 PCB板尺寸選用芯片的熱阻要低于71.4 C /W，選用SOP8-EP芯片，其RJA為60 C /W，仍需要設(shè) 計(jì)一個PCB板或散熱片來把熱量從塑封體傳到周圍空氣。在只有自然對流(即沒有空氣流 動)及沒有散熱片的情況下，一個兩面都覆銅的電路板上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則需要的電路板面 積可用如下方程估算

6、得到：電路板面積(cm勺。15.29號7*叢=15.29牛0.56伽=8.56Part.2 散熱孔散熱孔對應(yīng)的熱阻方程：261三Ryias =散熱孔數(shù)量通過以上公式可知，增加散熱孔的數(shù)量可以有效降低過孔的熱阻。Part.3銅箔厚度銅箔對應(yīng)的熱阻方程：也 =他-寬度申厚:度其中A Cu=4W/cm C,長度和寬度單位都是厘米，可以通過增加銅箔厚度來降低熱阻。Part.4 散熱片散熱片可以有效的降低芯片的溫度，但是散熱片的位置也很重要。對于貼片元器件，散熱 片可以直接放置在芯片塑封體頂部，如“圖2”所示，但是由于芯片塑封體的熱阻較大，且散熱片與其接觸不良，會降低散熱片的性能。也可以將散熱片與芯片背部的過孔相連， 提高散熱片的性能。圖2.散熱片的擺放位置Part.5 風(fēng)冷在產(chǎn)品空間范圍比較大，且不是密封的環(huán)境內(nèi)， 以顯著降低系統(tǒng)整體的熱