技術(shù)分享 | 使用熱阻矩陣進(jìn)行LDO熱分析的指南

低壓降線(xiàn)性穩壓器（LDO）因其工作原理，雖然能以低成本提供高電源質(zhì)量，但也會(huì )不可避免地產(chǎn)生損耗和發(fā)熱問(wèn)題。面對大壓降、大電流，LDO將長(cháng)時(shí)間處于較高的工作溫度范圍，可能影響其使用壽命和可靠性。因此，通過(guò)事先分析和評估LDO在特定工作環(huán)境下的溫度，并采取一定的措施，可以有效地避免芯片在長(cháng)時(shí)間的高溫下發(fā)生熱關(guān)斷和老化。

芯片的結溫主要取決于其功耗、散熱條件和環(huán)境溫度。因此，通過(guò)選擇不同的封裝版本來(lái)降低芯片的結與環(huán)境的熱阻，是一種降低結溫的有效解決方案。

目錄

1. 芯片熱阻介紹

2. 使用熱阻矩陣進(jìn)行熱分析

2.1. 對θJA的誤解

2.2. 理解ΨJC & θJC

3. 在EVM板上進(jìn)行LDO結溫和熱阻測試

1. 芯片熱阻介紹

由于芯片結構復雜，通常通過(guò)仿真得到熱阻的理論計算值。而在芯片實(shí)際工程應用中，工程師們將理論熱阻與實(shí)際應用問(wèn)題相結合，加以歸類(lèi)，得出一些具有明顯物理意義的熱阻。下圖展示了芯片焊接在PCB上時(shí)的熱阻網(wǎng)絡(luò )。

圖1 芯片熱阻網(wǎng)絡(luò )

圖中，熱量從結向上通過(guò)封裝體傳遞到封裝外殼的頂部，它們之間的熱阻之和被稱(chēng)為θJC(top)；熱量從結向下，通過(guò)粘合劑、引線(xiàn)框架基島傳遞到底部散熱焊盤(pán)，其熱阻之和被稱(chēng)為θJB；此外，通過(guò)圖中所有材料和結構，從結到外部環(huán)境的所有方向的熱量，所有路徑的整體熱阻被稱(chēng)為θJA。

雖然這些熱阻可以通過(guò)建模仿真獲得，但由于存在制造誤差及其他原因，可能不甚準確。因此，在工程實(shí)踐中，通常通過(guò)芯片發(fā)熱和溫差，來(lái)計算熱阻。熱阻的定義如下：

(1-1)

這意味著(zhù)不論是減少芯片的發(fā)熱、改用散熱性能更好的大型封裝、增加散熱器和風(fēng)扇，還是改進(jìn)PCB的散熱設計，都可以減少芯片溫升。

2. 使用熱阻矩陣進(jìn)行熱分析
2.1. 對θJA的誤解

我們可以在芯片的數據手冊（datasheet）中找到一個(gè)熱阻信息矩陣，其中就包含了上述θJA和θJC(top)等參數。下表摘自NSR31系列LDO的數據手冊。NSR31完整版數據手冊官網(wǎng)鏈接：https://www.novosns.com/10v-low-consumption-ldo-685

表1 NSR31系列的熱阻信息

需要注意的是，許多工程師會(huì )使用θJA、環(huán)境溫度和芯片功耗，來(lái)計算結溫，但這可能會(huì )產(chǎn)生較大的計算誤差。
從上節圖1的θJA定義可以看出，其值不僅由芯片本身決定，還很大程度上取決于具體使用的PCB。不同的應用PCB的散熱面積、層數、銅厚、板厚、材料、器件布局等方面各不相同，因此，θJA的值在不同的應用PCB上會(huì )有很大差異。大多數工程師都很關(guān)注自己PCB上芯片的狀態(tài)。因此，在熱設計中不建議使用θJA，θJA的主要優(yōu)勢在于比較不同封裝類(lèi)型的熱性能方面。

通常而言，幾乎所有芯片數據手冊中的θJA，都是使用行業(yè)標準板測量或仿真而得的示例值。這些行業(yè)標準平臺被稱(chēng)為JEDEC High-K或JEDEC Low-K板。此外，這些JEDEC 板僅由安裝在3"x3"板上的一個(gè)IC器件組成，與實(shí)際工程應用中的PCB有顯著(zhù)差異。

2.2. 理解ΨJC & θJC

為了解決應用端的實(shí)際問(wèn)題，表中還提供了熱特性參數Ψ。這是聯(lián)合電子器件工程委員會(huì )（JEDEC）在20世紀90年代定義的熱指標。就評估現代封裝器件結溫而言，它是一個(gè)更為便利的指標。Ψ代表的是結與參考點(diǎn)之間的溫差與芯片消耗的總功率的比值，它只是一個(gè)構造出的參數。雖然其公式和單位（°C/W）與Rθ非常相似，但Ψ實(shí)際上并不是一個(gè)“熱阻”參數，其定義如下：

（2-1）

其中，ΨJC是結到殼的熱特性參數，TJC是結到殼的溫差，PD 是芯片的總耗散功率。因此，求TJ時(shí)，首先要測量外殼溫度TC，計算芯片的總耗散功率PD，再使用以下公式計算：

（2-2）

其中，ΨJC可以通過(guò)數據手冊中的熱阻信息矩陣獲取。當芯片外部散熱條件固定時(shí)，ΨJC與θJC成正比。與不同應用端差異很大的θJA相比，雖然ΨJC也受到PCB散熱能力的影響，但我們可以近似地認為，在大多數應用中，該影響并不顯著(zhù)。具體原因如下。

公式（2-2）可以進(jìn)一步寫(xiě)為：

（2-3）

式中：PC是從結向上通過(guò)封裝體傳遞到封裝外殼頂部的熱功率。由此可得：

（2-4）

即ΨJC與θJA成正比，其值為從結到殼頂部的熱功率與芯片總耗散功率的比值。

圖2 芯片熱阻網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)圖

如圖2所示，根據熱阻網(wǎng)絡(luò )的“并聯(lián)電阻分流公式”關(guān)系，功率比相當于熱阻比的倒數：

（2-5）

式中：θCA為殼到環(huán)境的熱阻。當沒(méi)有在芯片表面安裝散熱器時(shí)，θCA遠大于θJC。由此可得，ΨJC小于θJA，因此，在工程上的實(shí)際PCB中，使用ΨJC估算結溫的誤差，遠小于使用θJA來(lái)估算的誤差。

3. 在EVM板上進(jìn)行LDO結溫和熱阻測試
由于集成電路外部被塑封料（mold compound）包裹，結沒(méi)有暴露在外，因此我們無(wú)法通過(guò)熱電偶或紅外溫度計，直接測量芯片內部結點(diǎn)的溫度。對于許多大型封裝集成電路，例如CPU或GPU，通常會(huì )集成一個(gè)熱傳感器，用于測量TJ。但對于小型封裝集成電路，由于受到尺寸和成本的限制，大都沒(méi)有這種TJ傳感器的功能。因此，我們必須通過(guò)測試和熱分析來(lái)估算TJ。
NSR31/33/35系列LDO有8種封裝，具體信息如表2所示。采用不同封裝的各類(lèi)熱阻已在芯片數據手冊的熱阻矩陣中標明。其信息概述如下。

表2 NSR3x 系列的熱阻信息

(1) 熱數據基于：JEDEC標準高K型材、JESD 51-7、四層板。

表2中所有參數均根據JEDEC標準獲得。通過(guò)表θJA比較可知，SOT-23-5L封裝的散熱性能最差，TO263-5封裝的散熱性能最好。當需要獲取LDO在特定應用電路板上的結溫時(shí)，可以使用公式（2-2）：

式中：（3-1）

式中：VIN代表LDO輸入電壓，VOUT代表LDO輸出電壓，IOUT代表LDO輸出電流。

接下來(lái)以NSR31050-QSTAR為例，在EVM板上測量和計算其結溫和實(shí)際熱阻θ'JA，以供參考。具體來(lái)說(shuō)，EVM板采用四層設計（88mm x 53mm），銅厚為1盎司，總散熱面積約為4600平方毫米，如圖3所示。

圖3 NSR31050-QSTAR EVM板

在室溫通風(fēng)恒定的情況下，通過(guò)給LDO施加一定的電壓和負載，可以將其功耗從0W增加到接近熱關(guān)斷。在不同功耗設置下，讓芯片工作5分鐘溫度穩定后，使用手持式紅外測溫儀測量芯片頂殼的溫度。利用環(huán)境溫度、殼溫、功耗和ΨJC的公式，來(lái)對EVM板上芯片的結溫和熱阻 θ'JA進(jìn)行估算。結果如表3所示。

表3 NSR3x系列的熱信息

圖4 部分殼溫的紅外測量結果

從表3可以看出，在此EVM板上，測得的結到環(huán)境的熱阻θ'JA約為 77.5°C/W，遠低于JEDEC 標準的207.9°C/W。

綜上所述，在實(shí)際應用中，芯片存在多種熱傳導途徑，熱量亦通過(guò)多個(gè)通道傳遞。我們很難像估算總功耗一樣，準確得到由特定途徑傳導的功耗。因此，熱特性參數ΨJC更適合用于估算結溫，利用熱特性參數ΨJC，同時(shí)結合公式（3-1）來(lái)估算結溫更為準確和嚴謹。