在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)表的熱阻參數(shù)時(shí)，如何做出有意義的設(shè)計(jì)決策存在很多困惑。這篇介紹性文章將幫助當(dāng)今的硬件工程師了解如何解讀數(shù)據(jù)表中的熱參數(shù)——包括是否選擇 theta 與 psi、如何計(jì)算這些值，以及最重要的是如何以實(shí)用的方式將這些值應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。 本文還將描述應(yīng)用環(huán)境溫度之間的關(guān)系，以及它們?nèi)绾闻c PCB 溫度或 IC 結(jié)溫進(jìn)行比較。最后，將討論功耗如何隨溫度變化，以及如何利用這一特性來實(shí)現(xiàn)冷卻運(yùn)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(jìn)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：電量和熱量之間的模擬關(guān)系

表 2：不同材料的材料常數(shù)和變量

電學(xué)和熱學(xué)類比方程

電量和熱量可以在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算，并且與基爾霍夫規(guī)則相當(dāng)（參見表 3）。

表 3：電氣和熱過程方程之間的類比

數(shù)據(jù)表中的熱阻（θ JA 和 θ JC）

圖 1 介紹了 MPS 的直流開關(guān)電源 IC MPQ4572，作為了解熱參數(shù)的示例。在本數(shù)據(jù)表中，有兩個(gè)指定的熱阻參數(shù)：θ JA 和 θ JC。這些參數(shù)將在本文中更詳細(xì)地討論。

圖 1：數(shù)據(jù)表中的熱阻（θJA 和 θJC）規(guī)格

圖 2 顯示了具有 5V/2A 輸出的典型 MPQ4572 應(yīng)用電路。

圖 2：具有 5V/2A 輸出的 MPQ4572 典型應(yīng)用電路

什么是結(jié)至環(huán)境熱阻 （θ JA ）？

θ JA 定義為從結(jié)點(diǎn)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、通孔和空氣公約條件的總和將熱量從結(jié)消散到環(huán)境溫度的能力。

因此，給定的 θ JA 僅對其定義的 PCB 有效。認(rèn)為 θ JA 是一個(gè)可以在所有 PCB 上使用的常數(shù)是一個(gè)常見的錯(cuò)誤。θ JA 允許比較常見 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 可通過公式 （1） 計(jì)算：

注：

4）JESD51-7 為 4 層 PCB，是一種用于引線表面貼裝封裝的高效導(dǎo)熱測試板。它是 114.3mmx76.2mm。

如果 MPQ4572 是 4 層，2oz。銅 MPS 測試 PCB （8.9cmx8.9cm），其 θ JA 可用公式（2）計(jì)算：

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

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評估板

當(dāng) R T = 25°C 時(shí)，EVQ4572-QB-00A 的功耗為 1.1W。對于 JESD51-7 板，結(jié)溫 （T J ） 可以通過公式 （3） 估算：

什么是結(jié)殼熱阻 （θ JC ）？

θ JC 定義為封裝底部結(jié)到外殼溫度的熱阻。該溫度是在引腳附近測量的。使用 θ JC 和公式 （4）計(jì)算結(jié)溫：

其中 Heatflow JC 是從結(jié)流向外殼的熱量。熱流JC 可以用公式 （5） 估算：

其中 Heatflow JT 是從結(jié)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(jié)殼熱阻 （θJC）

θ JC 不能用于定制 PCB 上的測量，原因有兩個(gè)：

定制 PCB 可以是任何尺寸，這可能不同于具有固定 114.3mmx76.2mm 尺寸的 JESD51-7 PCB。θ JC的目的 是比較不同封裝的傳熱能力，因此應(yīng)該使用 JEDSD51-7 PCB 進(jìn)行比較，因?yàn)樗膮?shù)已經(jīng)過研究和測量。

從定制 PCB 封裝流出的實(shí)際熱量未知，而 JEDSD51-7 PCB 已經(jīng)測量了這個(gè)參數(shù)。考慮耗散為 1.1W 的示例。在該示例中，熱流分為兩條路徑：θ JC （對于定制 PCB 未知），以及通過對流從封裝表面輻射到環(huán)境的熱流。

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

希臘字母Ψ的名稱是psi。 JESD51-2A 中描述了Ψ JT 和 Ψ JB 。當(dāng)設(shè)計(jì)人員知道電氣設(shè)備的總功率時(shí)，可以使用 Psi。設(shè)備功率通常很容易測量，通過 psi 計(jì)算，用戶可以直接計(jì)算出電路板的結(jié)溫。

Ψ JT 和 Ψ JB 是在指定環(huán)境下以測量為特征的虛擬參數(shù)。結(jié)溫可通過公式 （6） 計(jì)算：

其中 T SURFACE （°C） 是封裝頂部的溫度，而 P DEVICE 是 IC 中的電功率。

等式 （6） 使用了器件的總功耗。這意味著不必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)而不是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(jì) theta （θ） 和 psi （Ψ） 之間的差異：

用熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

圖 5 顯示了可以轉(zhuǎn)換為等效線性電氣網(wǎng)絡(luò)的熱網(wǎng)絡(luò)。θ JA 是結(jié)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(wǎng)絡(luò)圖

熱阻 （°C/W）、熱流 （W） 和溫差 （Kelvin） 的使用描述了系統(tǒng)具有熱穩(wěn)定性時(shí)的情況。如果將熱容量 （Ws/K） 添加到該網(wǎng)絡(luò)，則可以計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和詳細(xì)程度的增加，這樣的計(jì)算變得越來越復(fù)雜。硬件開發(fā)人員通常缺乏有關(guān)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(jì)算以圖形方式表示熱分布，是避免較大數(shù)學(xué)計(jì)算的好選擇。

布局建議

為了保持設(shè)備冷卻，建議使 IC 和銅平面之間的金屬熱傳遞路徑盡可能短。使用兩個(gè)溫差較大的點(diǎn)來輔助冷熱溫度之間的金屬傳熱路徑。在這個(gè)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大（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(shí)現(xiàn)更有效的冷卻。靠近封裝放置的過孔是最有效的。

圖 6：直流開關(guān)電源 IC 的熱圖像

必須在 IC 附近放置一條連續(xù)的銅熱通路。避免使用不必要的導(dǎo)體軌道切割平面。外層最能將熱量輻射到環(huán)境中。避免為靠近 IC 放置的部件提供散熱，因?yàn)樯釙?huì)影響熱量傳輸。

通孔改善層間的熱流。GND 和穩(wěn)定的電位是熱過孔的合適位置。填充和封蓋的過孔提高了導(dǎo)熱性，并且可以直接放置在表面貼裝技術(shù) （SMT） 焊盤下方。大規(guī)模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(guān)節(jié)點(diǎn)），因?yàn)檫@會(huì)降低 EMC 性能。

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

結(jié)論

MPS的 MPQ4572 用于展示熱參數(shù)如何類似于電量和網(wǎng)絡(luò)，并且兩者可以相互轉(zhuǎn)換。工程師經(jīng)常使用的電量有助于快速了解 PCB、環(huán)境和半導(dǎo)體之間相互作用的熱參數(shù)。

器件數(shù)據(jù)表中通常列出的熱阻參數(shù)（θ JA 和 θ JC）允許設(shè)計(jì)人員比較不同封裝的熱特性。特征化熱阻（Ψ JT 和 Ψ JB）允許設(shè)計(jì)人員計(jì)算定制應(yīng)用的結(jié)溫。IC 表面頂部的溫度測量可以很容易地獲得準(zhǔn)確的結(jié)溫。

審核編輯：郭婷