電熱類比

 

在熱量和電量之間進(jìn)行一定的類比，可以幫助我們更輕松地理解熱量。表 1 和表 2對(duì)電量和熱量及其材料常數(shù)進(jìn)行了類比。

 

表 1：電量和熱量之間的模擬關(guān)系 (1)

 

注意：

 

1. 該表內(nèi)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(shù)和變量

 

電與熱的方程類比

 

電量和熱量都可以在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算出來，其規(guī)則可與基爾霍夫定律相提并論（見表 3）。

 

表 3：電過程與熱過程的方程類比 (3)

 

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

 

數(shù)據(jù)手冊中的熱阻 (θJA 和θJC)

 

圖1以MPS的直流開關(guān)電源 IC MPQ4572為例，幫助大家了解熱參數(shù)。在MPQ4572數(shù)據(jù)手冊中，有兩個(gè)指定的熱阻參數(shù)： θJA和 θJC。本文將詳細(xì)討論這些參數(shù)。

 

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

 

圖2顯示了一個(gè)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)到環(huán)境熱阻(θJA)?

 

θJA定義為從結(jié)到環(huán)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(duì)流條件，從結(jié)到環(huán)境溫度的散熱能力。

 

因此，給定的 θJA 僅對(duì)其定義的 PCB 有效。人們通常認(rèn)為θJA是適用于所有 PCB 的常數(shù)，這是錯(cuò)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 位于一個(gè)4 層 JESD51-7 PCB (4) 上，則其θJA可通過公式 (1) 計(jì)算：

 

$$theta_{JA} = 60 frac{K}{W}$$ 注意：

 

4.2. JESD51-7為4層PCB，是一款用于引線表面貼裝元件的高效導(dǎo)熱系數(shù)測試板。其尺寸為114.3mmx76.2mm。測量方法請參見 https://www.jedec.org/。

 

如果 MPQ4572 位于 一個(gè)4 層、2盎司的銅質(zhì) MPS 測試 PCB（8.9cmx8.9cm）上，其θJA可通過公式（2）來計(jì)算： $$theta_{JA} = 45 frac{K}{W}$$ 圖3所示為MPQ4572 的評(píng)估板EVQ4572-QB-00A。

 

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評(píng)估板

 

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

 

什么是結(jié)到殼熱阻(θJC)?

 

θJC定義為在封裝底部，結(jié)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(jì)算結(jié)溫： $$T_J = (θ_{JC} times Heatflow_{JC}) + T_C$$ 其中 HeatflowJC 是從結(jié)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(jié)到頂面的熱流量。圖 4 顯示了為什么θJC 不能用于定制 PCB板上的測量。

 

圖 4：結(jié)到殼熱阻(θJC)

 

θJC不能用于定制 PCB 的測量主要有兩個(gè)原因：

 

1. 定制 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(yīng)采用JEDSD51-7 PCB 來進(jìn)行比較，因?yàn)槠鋮?shù)已經(jīng)過研究和測量。

 

2. 從定制 PCB 封裝流出的實(shí)際熱量是未知的，而 JEDSD51-7 PCB 的該參數(shù)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(duì)定制 PCB 而言未知）和通過對(duì)流從封裝表面輻射到環(huán)境的熱流。

 

結(jié)到殼頂(ΨJT) 和結(jié)到板(ΨJB)熱表征參數(shù)是什么？

 

希臘字母Ψ由psi演變而成。 JESD51-2A 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ΨJT 和ΨJB進(jìn)行了描述。當(dāng)設(shè)計(jì)人員已知總電氣器件功率時(shí)，可以使用 Psi。器件的功率通常很容易測得，再通過psi來計(jì)算，用戶就可以直接算出電路板的結(jié)溫。

 

ΨΨJT 和ΨJB是在特定環(huán)境下測量的表征虛擬參數(shù)。結(jié)溫可以用公式 (6) 來計(jì)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(shù)代替θJC的優(yōu)勢所在。

 

ΨJT的典型值介于 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(jì) 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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算

 

圖 5 顯示出可以轉(zhuǎn)換為等效線性電氣網(wǎng)絡(luò)的熱網(wǎng)絡(luò)。θJA 是結(jié)與環(huán)境之間等效熱阻的典型名稱。

 

圖5: IC和PCB的熱網(wǎng)絡(luò)圖

 

采用熱阻 (°C/W)、熱流 (W) 和溫差 (Kelvin) 可以描述系統(tǒng)何時(shí)具有熱穩(wěn)定性。如果再將熱容量 (Ws/K) 添加到網(wǎng)絡(luò)中，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)程度的不斷增加，這種計(jì)算也變得越來越復(fù)雜。硬件開發(fā)人員常常缺乏尺寸、材料常數(shù)和熱流相關(guān)的精確信息。布局和熱程序可以通過有限元計(jì)算以圖形方式表現(xiàn)熱分布，這是避免大型數(shù)學(xué)計(jì)算的一個(gè)好方法。

 

布局建議

 

為了保持器件的冷卻，建議IC和銅平面之間的金屬熱傳遞路徑應(yīng)盡可能地短。利用溫差較大的兩點(diǎn)將有助于優(yōu)化冷熱溫度之間的金屬傳熱路徑。在該系統(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(shí)現(xiàn)更有效的冷卻。 通孔靠近封裝放置將最有效。

 

圖6: 直流開關(guān)電源IC的散熱圖

 

在 IC 附近部署連續(xù)的銅熱路徑非常必要。避免切割帶有不必要導(dǎo)體跡線的平面。外層最能將熱量輻射到環(huán)境中。避免為靠近 IC 放置的部件部署散熱片，因?yàn)樗鼤?huì)影響熱傳輸。

 

通孔可以改善板層間的熱流。GND 和穩(wěn)定電位是適合設(shè)置熱通孔的位置。 填充和封蓋的通孔可以提高導(dǎo)熱系數(shù)，可以直接部署在表面貼裝技術(shù) (SMT) 焊盤的下方。大規(guī)模的散熱布局通常有利于提高電磁兼容性 (EMC)。但要避免將通孔部署在具有高 dI/dt 或 du/dt （例如開關(guān)節(jié)點(diǎn)）的位置，因?yàn)檫@會(huì)降低 EMC 性能。

 

FR4是一種廣泛使用的PCB環(huán)氧樹脂材料，由于環(huán)氧樹脂和玻璃纖維導(dǎo)熱性能不佳，因此其導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)甚至是 FR4 的 4 到 8 倍。

 

結(jié)論

 

MPS的 MPQ4572在本文中用于展示熱參數(shù)與電量和網(wǎng)絡(luò)之間的類似之處，以及兩者之間的相互轉(zhuǎn)換。工程師經(jīng)常使用的電量，將有助于快速理解PCB、環(huán)境和半導(dǎo)體之間相互作用的熱參數(shù)。

 

熱阻參數(shù)（θJA 和θJC）通常在器件的數(shù)據(jù)手冊中給出，設(shè)計(jì)人員可以據(jù)此比較不同封裝的散熱特性。表征熱阻（ΨJT 和 ΨJB）則允許設(shè)計(jì)人員計(jì)算特定應(yīng)用的結(jié)溫。在 IC 表面的頂部進(jìn)行溫度測量，可以輕松獲得準(zhǔn)確的結(jié)溫。

 

來源：MPS

 

 

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