開關電源之熱設計

一 引言

      我們設計的DC-DC電源一般包含電容、電感、肖特基、電阻、芯片等元器件；電源產品的轉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在我們面前，電源系統會因熱設計不良而造成壽命加速衰減。所以熱設計是系統可靠性設計環節中尤為重要的一面。但是熱設計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產品規格書時，經常會看到R_JA、T_J、T_STG、T_LEAD等名詞；首先R_JA是指芯片熱阻，即每損耗1W時對應的芯片結點溫升，T_J是指芯片的結溫，T_STG是指芯片的存儲溫度范圍，T_LEAD是指芯片的加工溫度。

二 術語解釋

       首先了解一下與溫度有關的術語：T_J、T_A、T_C、T_T。由“圖1”可以看出，T_J是指芯片內部的結點溫度，T_A是指芯片所處的環境溫度，T_C是指芯片背部焊盤或者是底部外殼溫度，T_T是指芯片的表面溫度。

        數據表中常見的表征熱性能的參數是熱阻R_JA，R_JA定義為芯片的結點到周圍環境的熱阻。其中T_J = T_A +（R_JA *P_D）

圖1.簡化熱阻模型

         對于芯片所產生的熱量，主要有兩條散熱路徑。第一條路徑是從芯片的結點到芯片頂部塑封體(R_JT)，通過對流/輻射(R_TA)到周圍空氣；第二條路徑是從芯片的結點到背部焊盤(R_JC)，通過對流/輻射(R_CA)傳導至PCB板表面和周圍空氣。

         對于沒有散熱焊盤的芯片，R_JC是指結點到塑封體頂部的熱阻；因為R_JC代表從芯片內的結點到外界的最低熱阻路徑。

三 典型熱阻值

表1典型熱阻

        從表1可以看出，熱阻與PCB板尺寸、空氣流動、PCB板厚度、過孔數量等參數都有關系。

四 設計實例

       某直流降壓方案，輸出5V，電流1A，轉換效率η為90%，環境溫度TA為50℃。使用的電容額定溫度100℃，且跟芯片靠的很近，要求芯片TJ溫度控制在90℃。

       首先系統的損耗

                                  P_D=V_OUT*I_OUT*(1/η-1)=5*1*（1/0.9-1）=0.56W

       假定所有損耗都算在芯片上，可以計算出：

                                                           熱阻R_JA≤(90℃-50℃)/0.56≤71.4℃/W

Part.1  PCB板尺寸

       選用芯片的熱阻要低于71.4℃/W，選用SOP8-EP芯片，其R_JA為60℃/W，仍需要設計一個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，根據經驗法則需要的電路板面積可用如下方程估算得到：

Part.2  散熱孔

       散熱孔對應的熱阻方程

       通過以上公式可知，增加散熱孔的數量可以有效降低過孔的熱阻。

Part.3  銅箔厚度

       銅箔對應的熱阻方程：

       其中λCu=4W/cm℃，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  風冷

       在產品空間范圍比較大，且不是密封的環境內，可以通過小功率的風扇產生氣流，這樣可以顯著降低系統整體的熱阻。

Part.6  灌膠

       對于要求防水、防塵、防震動的產品，可以通過在密封的模具中灌入導熱硅脂，使電源系統元器件通過導熱硅脂將熱量傳遞到外殼，進而將熱量散出去。

本文來源：上海芯龍半導體技術股份有限公司

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