了解熱阻在系統層級的影響

在電阻方面，電流流動(dòng)的原理可以比作熱從熱物體流向冷物體時(shí)遇到的阻力。每種材料及其接口都有一個(gè)熱阻，可以用這些數字來(lái)計算從源頭帶走熱的速率。在整合式裝置中，半導體接面是產(chǎn)生熱的來(lái)源，允許接面超過(guò)其最大操作溫度將導致嚴重故障。整合式裝置制造商雖使用一些技術(shù)來(lái)設計保護措施，以避免發(fā)生過(guò)熱關(guān)機等情況，但不可避免的是仍會(huì )造成損壞。一個(gè)更好的解決方案，就是在設計上選擇抑制 (或至少限制) 會(huì )造成接面溫度超過(guò)其操作最大值的情況。由于無(wú)法直接強制冷卻接面溫度，透過(guò)傳導來(lái)進(jìn)行散熱是確保不會(huì )超過(guò)溫度的唯一方法。工程師需要在這些限制范圍內進(jìn)行設計，以達到最高設計效率。

在計算接面散熱速度之際，需要了解熱的流經(jīng)路徑與沿途會(huì )遇到的所有阻力。圖 1 描述這一點(diǎn)，顯示熱從接面流向環(huán)境空氣時(shí)的路徑?？偀嶙璞仨毎ㄔ撀窂缴厦糠N材料的熱阻。這突顯出裝置制造商常使用的兩個(gè)數字之間的重要差異：從接面到外殼的熱阻 RθJC，以及從接面到環(huán)境空氣的熱阻 RθJA。如圖 1 所示，RθJA 的數字將包括 RθJC 的數字。就算它不在裝置制造商的控制范圍內，在測試條件中顯示出裝置的這項特征，將提供環(huán)境熱阻數字，以指導工程師如何使用其裝置。

圖1 熱阻包含從接面到環(huán)境的多個(gè)階段

測量功耗，以當成接面溫度函數

必須了解熱阻及其對裝置所帶來(lái)的影響有兩個(gè)原因。首先，如前所述，必須將半導體的接面溫度維持在一定程度以下，才不會(huì )造成故障。大多數芯片制程的半導體接面溫度通常是 150°C。

第二，有密切相關(guān)的是接面溫度與功率量，或者更簡(jiǎn)單地說(shuō)，半導體裝置在維持低于其絕對最大接面溫度的情況下，與可以進(jìn)行的功率成正比。每次切換 MOSFET 時(shí)，它都會(huì )產(chǎn)生損耗，這便會(huì )產(chǎn)生熱。高頻率地進(jìn)行切換，生熱的速度將快于散熱的速度，這便造成總接面溫度升高。以下公式 1 為計算與溫度有關(guān)的功耗公式。

Power_Dissipated=T_j(max)-T_ambient/R_θ

公式 1

此公式適用于任何用于熱阻 R_θ 的參考值。使用從接面到外殼的熱阻所計算出的功耗值，自然與使用從接面到環(huán)境的熱阻所計算出的功耗值大不相同。

按照流經(jīng)裝置接面的電流及接面的電阻，也能計算出某一特定產(chǎn)品應用的裝置功耗值。若也已知熱阻和最大接面溫度 (取自數據表)，在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的換算后，就能得到允許的最大環(huán)境溫度值，指出是否應強制使用氣冷方式對該產(chǎn)品應用進(jìn)行降溫。

來(lái)自外殼或環(huán)境的熱阻？

制造商沒(méi)有統一引用熱阻的方式，可能會(huì )造成錯誤。如前所述，經(jīng)常使用的數字是 RθJC，它沒(méi)有考慮到外殼和環(huán)境之間的熱阻。這低估了裝置外殼與系統其余部分之間接口的重要性。

就功率 MOSFET 的散熱而言，該裝置的封裝很可能在底部有一個(gè)大焊墊，內部連接到晶體管的汲極。這將是熱通往裝置接面的主要路徑，因此大部分在裝置接面處產(chǎn)生的熱會(huì )流經(jīng)裝置，并且在這一點(diǎn)排出。這個(gè)焊墊會(huì )焊接到 PCB 上。PCB 焊墊的大小和形狀、層數和軌道分布，都會(huì )影響到熱透過(guò) PCB 散布到環(huán)境中的速度。比起裝置內部的熱阻路徑，設計影響這個(gè)數字的程度更高，熱計算中的主要數字是外殼和環(huán)境之間的電阻。

散熱器在熱管理和接面溫度中的重要性

這突顯出散熱器在電源產(chǎn)品應用中的重要性。加入更多的銅層或加大銅層的尺寸或厚度，將會(huì )影響到環(huán)境熱阻的數字。減少熱阻的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，是在功率裝置下面加入或加大接地平面。另一個(gè)比較花錢(qián)的辦法是加入外部散熱器。

在考慮電源產(chǎn)品應用的熱管理要求時(shí)，很容易只有按照數據表上的熱阻數字來(lái)假設這些要求。在這里用兩個(gè)功率晶體管之間的比較范例，說(shuō)明這可能會(huì )產(chǎn)生誤導。兩個(gè)裝置在 VDS、ID 及 RDS(ON) 方面都有類(lèi)似的參數。兩者卻使用不同的封裝，一個(gè)的外殼熱阻 RθJC 為 1.0°C/W，另一個(gè)則為 0.5°C/W。

根據提供的數字，乍看之下，將熱阻數字較低的裝置用在更高環(huán)境溫度中的可能性會(huì )高出 50%。結果就是出現使用外部散熱器或簡(jiǎn)單加入一個(gè)較大的接地平面這樣的差異。顯然，從物料列表和制造作業(yè)來(lái)看，較大的接地平面將是成本較低的選擇。不過(guò)在圖 2 中顯示了兩個(gè)裝置的實(shí)際環(huán)境熱阻，在相同的測試條件下，使用從 30mm2 到超過(guò) 300mm2 的銅焊墊進(jìn)行測量，實(shí)際差異可以略過(guò)不計。

圖2 兩個(gè)可比較裝置的 RθJA 之間的實(shí)際差異，其 RθJC 值顯著(zhù)不同，如同其數據表中所述

請見(jiàn)表 1 中所示的裝置來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)，表 1 比較 Diodes 公司旗下三款功率 MOSFET，各款的熱阻數字顯然不同。圖 3 的圖表顯示了各裝置不同銅焊墊面積的熱阻。這三條線(xiàn)都描繪出相似的趨勢，盡管它們的接面到外殼的熱阻明顯不同，這表示在定義從接面到環(huán)境的熱阻，PCB 成為主要因素。

表1 Diodes 公司旗下三款功率 MOSFET，顯示不同的熱阻

圖3 Diodes 公司旗下三款功率 MOSFET 的熱阻

為了滿(mǎn)足客戶(hù)渴望開(kāi)發(fā)小巧型及功率密集型產(chǎn)品應用的需求，越來(lái)越多制造商將更小的表面黏著(zhù)封裝技術(shù)用于功率 MOSFET。這為設計人員帶來(lái)更大的壓力，無(wú)法自由設計產(chǎn)品。在開(kāi)發(fā)采用表面黏著(zhù)封裝技術(shù)的功率 MOSFET 產(chǎn)品時(shí)，必須確定熱阻，它們在采取額外的熱管理措施 (如散熱器或風(fēng)扇) 方面往往有所限制。

掌握從接面到環(huán)境的熱阻路徑，以及了解 PCB 在管理熱分布方面所扮演的重要角色，工程師便能夠按照實(shí)際要求決定設計內容，而非以人工方式限制功耗。

結論

妥善處理功率晶體管等裝置所產(chǎn)生的熱，是整體設計工作中重要的一環(huán)。簡(jiǎn)單利用制造商提供的熱阻數字，說(shuō)明裝置在故障前可以做為熱量散失的能量。我們必須了解，真正的效能有更大一部分取決于在 PCB 層級所采取的措施，而非數據表中接面到外殼的數字。