了解熱阻在系統(tǒng)層級(jí)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(shù)字來計(jì)算從源頭帶走熱的速率。在整合式裝置中，半導(dǎo)體接面是產(chǎn)生熱的來源，允許接面超過其最大操作溫度將導(dǎo)致嚴(yán)重故障。整合式裝置制造商雖使用一些技術(shù)來設(shè)計(jì)保護(hù)措施，以避免發(fā)生過熱關(guān)機(jī)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(shè)計(jì)上選擇抑制 (或至少限制) 會(huì)造成接面溫度超過其操作最大值的情況。由于無法直接強(qiáng)制冷卻接面溫度，透過傳導(dǎo)來進(jìn)行散熱是確保不會(huì)超過溫度的唯一方法。工程師需要在這些限制范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到最高設(shè)計(jì)效率。

在計(jì)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。總熱阻必須包括該路徑上每種材料的熱阻。這突顯出裝置制造商常使用的兩個(gè)數(shù)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(shù)字將包括 RθJC 的數(shù)字。就算它不在裝置制造商的控制范圍內(nèi)，在測(cè)試條件中顯示出裝置的這項(xiàng)特征，將提供環(huán)境熱阻數(shù)字，以指導(dǎo)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(cè)量功耗，以當(dāng)成接面溫度函數(shù)

必須了解熱阻及其對(duì)裝置所帶來的影響有兩個(gè)原因。首先，如前所述，必須將半導(dǎo)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(shù)芯片制程的半導(dǎo)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，半導(dǎo)體裝置在維持低于其絕對(duì)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(jì)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(jì)算出的功耗值，自然與使用從接面到環(huán)境的熱阻所計(jì)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(jì)算出某一特定產(chǎn)品應(yīng)用的裝置功耗值。若也已知熱阻和最大接面溫度 (取自數(shù)據(jù)表)，在經(jīng)過簡(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(yīng)強(qiáng)制使用氣冷方式對(duì)該產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)行降溫。

來自外殼或環(huán)境的熱阻？

制造商沒有統(tǒng)一引用熱阻的方式，可能會(huì)造成錯(cuò)誤。如前所述，經(jīng)常使用的數(shù)字是 RθJC，它沒有考慮到外殼和環(huán)境之間的熱阻。這低估了裝置外殼與系統(tǒng)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(nèi)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(shù)和軌道分布，都會(huì)影響到熱透過 PCB 散布到環(huán)境中的速度。比起裝置內(nèi)部的熱阻路徑，設(shè)計(jì)影響這個(gè)數(shù)字的程度更高，熱計(jì)算中的主要數(shù)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(yīng)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(shù)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)比較花錢的辦法是加入外部散熱器。

在考慮電源產(chǎn)品應(yīng)用的熱管理要求時(shí)，很容易只有按照數(shù)據(jù)表上的熱阻數(shù)字來假設(shè)這些要求。在這里用兩個(gè)功率晶體管之間的比較范例，說明這可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。兩個(gè)裝置在 VDS、ID 及 RDS(ON) 方面都有類似的參數(shù)。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(jù)提供的數(shù)字，乍看之下，將熱阻數(shù)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(jié)果就是出現(xiàn)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)來看，較大的接地平面將是成本較低的選擇。不過在圖 2 中顯示了兩個(gè)裝置的實(shí)際環(huán)境熱阻，在相同的測(cè)試條件下，使用從 30mm2 到超過 300mm2 的銅焊墊進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際差異可以略過不計(jì)。

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

請(qǐng)見表 1 中所示的裝置來說明這一點(diǎn)，表 1 比較 Diodes 公司旗下三款功率 MOSFET，各款的熱阻數(shù)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。這三條線都描繪出相似的趨勢(shì)，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

為了滿足客戶渴望開發(fā)小巧型及功率密集型產(chǎn)品應(yīng)用的需求，越來越多制造商將更小的表面黏著封裝技術(shù)用于功率 MOSFET。這為設(shè)計(jì)人員帶來更大的壓力，無法自由設(shè)計(jì)產(chǎn)品。在開發(fā)采用表面黏著封裝技術(shù)的功率 MOSFET 產(chǎn)品時(shí)，必須確定熱阻，它們?cè)诓扇☆~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(shè)計(jì)內(nèi)容，而非以人工方式限制功耗。

結(jié)論

妥善處理功率晶體管等裝置所產(chǎn)生的熱，是整體設(shè)計(jì)工作中重要的一環(huán)。簡(jiǎn)單利用制造商提供的熱阻數(shù)字，說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(jí)所采取的措施，而非數(shù)據(jù)表中接面到外殼的數(shù)字。