在轉換數據表的熱阻參數時，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據表中的熱參數——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冷卻運行、成本優化的解決方案。

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。

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，Frank 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，Frank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。

數據表中的熱阻（θ JA和 θ JC）

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

圖 1：數據表中的熱阻（θ JA和 θ JC）規格

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

什么是結到環境熱阻 （θ JA ）？

θ JA定義為從結點到環境溫度的熱阻。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。

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。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（定制 PCB 未知）和通過對流從封裝表面輻射到環境的熱流。

結到外殼頂部 （Ψ JT ） 和結到板 （Ψ JB ）的熱特性參數是什么？

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是在特定環境下的測量表征的虛擬參數。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代替 θ JC 的優勢。

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） 的使用描述了系統何時具有熱穩定性。如果將熱容量 （Ws/K） 添加到該網絡，則可以計算瞬態響應。

隨著網絡規模和詳細程度的增加，這種計算變得越來越復雜。硬件開發人員通常缺乏有關尺寸、材料常數和熱流的精確信息。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到環境中。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（例如開關節點），因為這會降低 EMC 性能。

FR4是一種廣泛使用的PCB環氧樹脂材料，由于其環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、環境和半導體之間相互作用的熱參數。

熱阻參數（θ JA和θ JC）通常在器件數據表中列出，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