電熱類比

 

在熱量和電量之間進行一定的類比
，可以幫助我們更輕鬆地理解熱量。表 1 和表 2對電量和熱量及其材料常數進行了類比。

 

表 1：電量和熱量之間的模擬關係 (1)

 

注意：

 

1. 該表內容來自 Technische Temperaturmessung: 第I卷, Frank Bernhard, ISBN 978-3-642-62344-8。

2. el 為電值，th 為熱值。

 

表 2：不同材料的材料常數和變量

 

電與熱的方程類比

 

電量和熱量都可以在網絡中計算出來
，其規則可與基爾霍夫定律相提並論（見表 3）。

 

表 3：電過程與熱過程的方程類比 (3)

 

注意： 該表內容來自 Technische Temperaturmessung: 第I卷, Frank Bernhard, ISBN 978-3-642-62344-8。

 

數據手冊中的熱阻 (θJA 和θJC)

 

圖1以MPS的直流開關電源 IC MPQ4572為例
，幫助大家了解熱參數。在MPQ4572數據手冊中，有兩個指定的熱阻參數： θJA和 θJC。本文將詳細討論這些參數。

 

圖 1：數據手冊中的熱阻（θJA 和θJC）規格

 

圖2顯示了一個具有 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

 

什麼是結到環境熱阻(θJA)?

 

θJA定義為從結到環境溫度的熱阻。它衡量器件通過所有傳熱路徑、銅跡線


、通孔和空氣對流條件，從結到環境溫度的散熱能力。

 

因此，給定的 θJA 僅對其定義的 PCB 有效。人們通常認為θJA是適用於所有 PCB 的常數
，這是錯誤的。θJA允許在通用PCB（如 JEDSD51-7）上比較不同的封裝。例如，如果MPQ4572 位於一個4 層 JESD51-7 PCB (4) 上，則其θJA可通過公式 (1) 計算：

 

$$theta_{JA} = 60 frac{K}{W}$$ 注意：

 

4.2. JESD51-7為4層PCB，是一款用於引線表麵貼裝元件的高效導熱係數測試板。其尺寸為114.3mmx76.2mm。測量方法請參見 https://www.jedec.org/。

 

如果 MPQ4572 位於 一個4 層、2盎司的銅質 MPS 測試 PCB（8.9cmx8.9cm）上

，其θJA可通過公式（2）來計算： $$theta_{JA} = 45 frac{K}{W}$$ 圖3所示為MPQ4572 的評估板EVQ4572-QB-00A。

 

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評估板

 

當 RT = 25°C 時
，EVQ4572-QB-00A 的功耗為 1.1W。對JESD51-7 板來說
，其結溫 (TJ) 可以通過公式 (3)來 估算 ： $$T_J = 60 times frac{K}{W} times 1.1W + 25º = 91ºC $$ 

 

什麼是結到殼熱阻(θJC)?

 

θJC定義為在封裝底部
，結到外殼溫度的熱阻。該溫度在靠近引腳處測得。使用θJC和公式 (4) 計算結溫： $$T_J = (θ_{JC} times Heatflow_{JC}) + T_C$$ 其中 HeatflowJC 是從結到外殼的熱流量。HeatflowJC可以用公式 (5) 估算： $$Heatflow_{JC} = Heatflow_{TOTAL} -Heatflow_{JT}$$ 其中HeatflowJC 是從結到頂麵的熱流量。圖 4 顯示了為什麼θJC 不能用於定製 PCB板上的測量。

 

圖 4：結到殼熱阻(θJC)

 

θJC不能用於定製 PCB 的測量主要有兩個原因：

 

1. 定製 PCB 可以是任意尺寸，可能與 JESD51-7 PCB 的固定尺寸（ 114.3mmx76.2mm）不同。θJC的目的是比較不同封裝的傳熱能力，因此應采用JEDSD51-7 PCB 來進行比較
，因為其參數已經過研究和測量。

 

2. 從定製 PCB 封裝流出的實際熱量是未知的，而 JEDSD51-7 PCB 的該參數已測得。如果是上述功耗為 1.1W 的示例，在該例中，熱流分為兩條路徑：θJC（對定製 PCB 而言未知）和通過對流從封裝表麵輻射到環境的熱流。

 

結到殼頂(ΨJT) 和結到板(ΨJB)熱表征參數是什麼？

 

希臘字母Ψ由psi演變而成。 JESD51-2A 標準對ΨJT 和ΨJB進行了描述。當設計人員已知總電氣器件功率時，可以使用 Psi。器件的功率通常很容易測得，再通過psi來計算
，用戶就可以直接算出電路板的結溫。

 

ΨΨJT 和ΨJB是在特定環境下測量的表征虛擬參數。結溫可以用公式 (6) 來計算： $$T_J = Psi_{JT} times P_{DEVICE} + T_{SURFACE} $$ 其中TSURFACE (°C)是封裝頂部的溫度
，PDEVICE 是 IC 中的電功率。 

 

公式 (6) 中用到了器件的總功耗。這意味著我們沒必要知道封裝頂部和引腳之間的功率分布。這是用熱表征參數代替θJC的優勢所在。

 

ΨJT的典型值介於 0.8°/W 和 2.0°/W 之間。 較小的封裝往往具有較低的ΨJT而具有較厚模塑料的較大封裝，其ΨJT也較高。公式 (7) 和公式 (8) 可以用來估計 theta (θ)和 psi (Ψ) 之間的差異：

 

$$theta_{12} = {{T_{position1} - T_{position2}} over {Power_{Path12}}}$$ $$Psi_{12} = {{T_{position1} - T_{position2}} over {P_{Device}}}$$

 

利用熱網絡進行計算

 

圖 5 顯示出可以轉換為等效線性電氣網絡的熱網絡。θJA 是結與環境之間等效熱阻的典型名稱。

 

圖5: IC和PCB的熱網絡圖

 

采用熱阻 (°C/W)、熱流 (W) 和溫差 (Kelvin) 可以描述係統何時具有熱穩定性。如果再將熱容量 (Ws/K) 添加到網絡中，則可以計算瞬態響應。

 

隨著網絡規模和詳細程度的不斷增加
，這種計算也變得越來越複雜。硬件開發人員常常缺乏尺寸
、材料常數和熱流相關的精確信息。布局和熱程序可以通過有限元計算以圖形方式表現熱分布，這是避免大型數學計算的一個好方法。

 

布局建議

 

為了保持器件的冷卻

，建議IC和he銅tong平ping麵mian之zhi間jian的de金jin屬shu熱re傳chuan遞di路lu徑jing應ying盡jin可ke能neng地di短duan。利li用yong溫wen差cha較jiao大da的de兩liang點dian將jiang有you助zhu於yu優you化hua冷leng熱re溫wen度du之zhi間jian的de金jin屬shu傳chuan熱re路lu徑jing。在zai該gai係xi統tong中zhong，與yu較jiao冷leng的de 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 可以在板層之間傳輸更大的熱流
，從而實現更有效的冷卻。 通孔靠近封裝放置將最有效。

 

圖6: 直流開關電源IC的散熱圖

 

在 IC 附近部署連續的銅熱路徑非常必要。避免切割帶有不必要導體跡線的平麵。外層最能將熱量輻射到環境中。避免為靠近 IC 放置的部件部署散熱片，因為它會影響熱傳輸。

 

通孔可以改善板層間的熱流。GND 和穩定電位是適合設置熱通孔的位置。 填充和封蓋的通孔可以提高導熱係數，可以直接部署在表麵貼裝技術 (SMT) 焊盤的下方。大規模的散熱布局通常有利於提高電磁兼容性 (EMC)。但要避免將通孔部署在具有高 dI/dt 或 du/dt （例如開關節點）的位置
，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
，由於環氧樹脂和玻璃纖維導熱性能不佳
，因此其導熱係數較低。在 PCB 層之間部署銅通孔可以改善層之間的熱連接。有些 PCB 材料的導熱係數甚至是 FR4 的 4 到 8 倍。

 

結論

 

MPS的 MPQ4572在本文中用於展示熱參數與電量和網絡之間的類似之處
，以及兩者之間的相互轉換。工程師經常使用的電量
，將有助於快速理解PCB
、環境和半導體之間相互作用的熱參數。

 

熱阻參數（θJA 和θJC）通常在器件的數據手冊中給出，設計人員可以據此比較不同封裝的散熱特性。表征熱阻（ΨJT 和 ΨJB）則允許設計人員計算特定應用的結溫。在 IC 表麵的頂部進行溫度測量
，可以輕鬆獲得準確的結溫。

 

來源：MPS

 

 

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