頂部散熱還是底部散熱，哪種方式更適合高功率降壓轉(zhuǎn)換？

自動駕駛是所有汽車OEM在這個時代面臨的新一波重要趨勢，車輛內(nèi)的電子控制單元（ECU）數(shù)量急劇增加。其中涵蓋了諸多應用，例如駕駛輔助攝像頭、數(shù)據(jù)融合ECU以及它們各自的功耗管理。根據(jù)應用和操作范圍，預調(diào)節(jié)器的輸出功率范圍不等，小至停車輔助ECU的幾瓦特，大至數(shù)據(jù)融合ECU的上百瓦特。本系列文章將闡述使用散熱片降低電子器件熱應力的潛在意義，以及系統(tǒng)熱性能與各種因素（例如散熱片的位置和尺寸）的相關(guān)性。

之前我們分享了高功率降壓轉(zhuǎn)換的散熱評估測試原理概述，對比了三種不同配置下電路板熱性能。今天將為大家重點介紹在設計高輸出功率預調(diào)節(jié)器時使用散熱片的效果。

有無散熱片比較

圖24和25顯示了在沒有和有頂面散熱片的情況下MOSFET的溫度變化。在較高電流下，沒有散熱片的低邊MOSFET比帶有頂面散熱片的 MOSFET 更熱。低邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低30°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，帶有25mm散熱片的MOSFET的溫度降低了22°C。

圖24.帶和不帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度變化

高邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低33°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，使用25mm散熱片時，MOSFET 的溫度降低了26°C。

圖25.帶和不帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度變化

圖26和27顯示了在沒有和有底面散熱片的情況下MOSFET的溫度變化。在較高電流下，沒有散熱片的低邊MOSFET比有底面散熱片的MOSFET更熱。低邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低29°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，帶有25mm散熱片的 MOSFET 的溫度降低了23°C。

圖26.帶和不帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度變化

高邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低31°C。同樣，與沒有散熱片相比，具有25mm散熱片的MOSFET的溫度降低了25°C。

圖27.帶和不帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度變化

間隙墊的影響

對于60mm散熱片，下面的測量結(jié)果是在20.0A負載電流下使用3W/(m·K)和6W/(m·K)間隙墊記錄的，以了解間隙墊厚度對熱性能的影響。兩種不同的間隙墊是KERAFOL 86/300 SOFTTHERM和86/600 SOFTTHERM，如本白皮書開頭的表2所示。

使用頂面散熱片的情況下，當間隙墊從3W/(m·K)改為6W/(m·K)時（熱阻約為原來的一半），觀察到低邊 MOSFET 的溫度降低了1.6%，高邊MOSFET的溫度降低了3.5%（表 15）。

表15.  帶頂面散熱片的間隙墊

使用底面散熱片的情況下，測得低邊MOSFET的溫度降低約7.6%，高邊MOSFET的溫度降低約6.6%（表 16）。

表16.  帶底面散熱片的間隙墊

頂面裸露焊盤與底面裸露焊盤

正如突出顯示的那樣，PCB針對良好的導熱性和散熱性進行了優(yōu)化，可作為MOSFET的非常有效的散熱片。在存在多個熱源且PCB的散熱能力有限的實際應用中，這種方法通常不可取。首選的散熱方法是通過與PCB熱連接的ECU外殼進行散熱。采用“頂面散熱”封裝的MOSFET可實現(xiàn)熱源 (MOSFET) 和散熱片（外殼）之間的最低熱阻，允許頂面MOSFET的裸露焊盤與散熱片之間的直接熱連接，同時最大限度地減少熱量流入PCB。

需要具有相同管芯但不同封裝的MOSFET來直接比較它們的熱性能。之前的所有測量均使用NVMFS5C460NL，但此MOSFET在“頂面散熱”封裝變體中不可用。所以NVMFS5C450N（SO-8FL底面裸露焊盤）和 NVMJST3D3N04C（“頂面散熱”封裝，頂面裸露焊盤）被選擇用于以下測量。

NVMJST3D3N04C僅作為標準級器件提供，而NVMFS5C460NL是邏輯級器件。在這種應用中，標準級器件的效率預計會略低于邏輯級器件。盡管如此，由于損耗并不大，因此只能比較熱性能、NVMFS5C450N和NVMJST3D3N04C的差異。

表17.  封裝概覽

SO-8FL中NVMFS5C450N頂面的塑料表面積為31.7mm2，與LFPAK10 TC中NVMJST3D3N04C底面的塑料表面 (27.0mm2) 相比稍大.兩種器件的裸露焊盤大小大致相同。

高度為25mm的散熱片用于以下測量，以避免散熱片的任何限制并最大限度地提高熱性能以優(yōu)化加熱時的任何差異。

底面裸露焊盤MOSFET測量 (NVMFS5C450N)

表18和19顯示了帶和不帶散熱片的高邊和低邊MOSFET (NVMFS5C450N) 的溫度。散熱片安裝在MOSFET的頂面（塑料外殼）。

表18.  NVMFS5C450N-無散熱片

表19.  NVMFS5C450N-頂面有25mm散熱片

圖28.NVMFS5C450N-帶和不帶散熱片的低邊MOSFET溫度

圖29. NVMFS5C450N-帶和不帶散熱片的高邊MOSFET溫度

圖28和29顯示了使用安裝在MOSFET塑料頂面上的散熱片改善低邊和高邊MOSFET的散熱效果。

在5.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約6°C，而高邊MOSFET的溫度低約8°C。而在20.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約40°C，而高邊MOSFET的溫度低約37°C。

兩項測量的熱性能均在預期范圍內(nèi)，散熱片可顯著降低MOSFET溫度。通常，由于柵極電荷較高，因此NVMFS5C450N的開關(guān)速度較慢，因此溫度高于之前使用NVMFS5C460NL進行的測量結(jié)果。甚至導通電阻也略低。

頂面裸露焊盤MOSFET測量 (NVMJST3D3N04C)

表20和21顯示了帶和不帶散熱片的高邊和低邊MOSFET (NVMJST3D3N04C)的溫度。散熱片安裝在MOSFET的頂面（裸露焊盤）。

表20.  NVMJST3D3N04C-無散熱片

表21.  NVMJST3D3N04C-頂面有25mm散熱片

圖30. NVMJST3D3N04C-帶和不帶散熱片的低邊MOSFET溫度

圖31.NVMJST3D3N04C-帶和不帶散熱片的高邊MOSFET溫度

圖30和31顯示了使用安裝在MOSFET頂面裸露焊盤上的散熱片改善低邊和高邊MOSFET的散熱效果。

在5.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約8°C，而高邊MOSFET的溫度低約10°C。而在20.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約40°C，而高邊MOSFET的溫度低約37°C。

此外，在此測量中，熱性能符合預期。由于NVMJST3D3N04C和NVMFS5C450N使用相同的管芯，損耗和發(fā)熱高于之前使用NVMFS5C460NL的測量值，這是由于更高的柵極充電器導致開關(guān)損耗更高。

底面和頂面裸露焊盤之間的比較

圖32比較了底面 (NVMFS5C450N) 和頂面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盤的低邊MOSFET溫度，頂面有散熱片。

圖32.NVMFS5C450N與NVMJST3D3N04C-低邊MOSFET溫度（帶散熱片）

圖33比較了底面 (NVMFS5C450N) 和頂面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盤的高邊MOSFET溫度，頂面有散熱片。

圖33.NVMFS5C450N與NVMJST3D3N04C-高邊MOSFET溫度（帶散熱片）

通常，此特定PCB和設置的熱性能非常相似，與是否使用帶有底面或頂面裸露焊盤的MOSFET以及MOSFET封裝頂面的散熱片無關(guān)。對于低邊MOSFET，底面裸露焊盤封裝的性能略好于頂面裸露焊盤，對于高邊MOSFET，反之亦然。

對于帶有底面裸露焊盤的MOSFET，大量熱量流入PCB，優(yōu)化為有效的散熱片。MOSFET頂面塑料表面上的散熱片也有助于降低MOSFET溫度。

頂面裸露焊盤的MOSFET在PCB和底面塑料表面之間的熱耦合相對較差。但是，焊接到PCB上的引線也會讓熱量流入PCB。MOSFET頂面的裸露焊盤連接到散熱片并有效地散發(fā)熱量。

兩種配置都通過MOSFET封裝的底面和頂面進行散熱。對于底面裸露封裝，MOSFET和PCB之間的熱阻比MOSFET和散熱片之間的熱阻更低。對于頂面裸露封裝，反之亦然；MOSFET和散熱片之間的熱阻較低。這導致使用完全不同的配置可以實現(xiàn)相似的熱性能，并且可以為兩種類型的封裝實施有效的散熱。

結(jié)論

不同的測量結(jié)果和對比顯示了連接到電源的散熱片對MOSFET溫度的影響。根據(jù)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論對給定設置有效：

如果使用具有底面裸露焊盤的MOSFET，同時使用經(jīng)過熱優(yōu)化的PCB進行導熱和散熱，則散熱片無論是安裝 PCB的底面還是MOSFET的頂面，MOSFET溫度之間的差異僅為不到3°C。

MOSFET溫度取決于散熱片尺寸。

◆ 在20.0A負載電流下，與沒有任何散熱片的設置相比，使用60mm散熱片的MOSFET溫度大約低30°C。

◆ 與沒有任何散熱片的設置相比，使用25mm散熱片時，MOSFET的溫度大約降低15至20°C。

◆ 使用10mm散熱片時，MOSFET的溫度比沒有任何散熱片的設置低10°C。

◆ 該溫度變化與三個散熱片的熱阻成正比。它還表明，如果使用熱優(yōu)化的PCB布局，散熱片需要一定的質(zhì)量和導熱性才能顯著降低溫度。

25mm和60mm散熱片在20.0A負載電流下的MOSFET溫度差異為6°C，低于最初預期。

在不超過15.0A負載電流的情況下，25mm和60mm散熱片之間的MOSFET溫差相對較低，只有2°C左右。負載電流高于15.0A時，溫差最大增加約6°C。

這表明需要擇優(yōu)選擇散熱片，以更好地兼顧成本和散熱性能的改善。

具有頂面裸露焊盤和散熱片的MOSFET可實現(xiàn)與底面裸露焊盤安裝在經(jīng)過熱優(yōu)化的PCB上且散熱片位于封裝頂面的MOSFET類似的熱性能。如果要盡量減少流入PCB的熱量，則帶有頂面裸露焊盤的MOSFET是正確的選擇，因為它們對安裝在封裝頂面的散熱片具有最小的熱阻。

所有測量都是一致的、可重復的，并且符合一般的理論預期。這證明電氣和機械設置都運行正常且可靠。

當然，該測試裝置與實際應用相去甚遠，比如在帶有散熱片的定制鋁外殼內(nèi)部，電源屬于復雜ECU的一部分。但是，它解釋了不同參數(shù)的影響，例如散熱片的熱阻或間隙墊厚度對MOSFET溫度的影響。它還清楚地表明，將散熱片安裝在熱源頂面（本例中為MOSFET）或PCB的另一面（假設PCB布局經(jīng)過熱優(yōu)化，所有層上都有散熱孔和更大的銅面積，以允許散熱流過PCB）可以達到類似的性能。

如果要盡量減少流入PCB的熱量，則應使用頂面裸露焊盤連接到散熱片的MOSFET。