电源系统的热设计技术

2024-01-05

  我们设计的 DC-DC 电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件;电源产品的转换效率不可能做到百分百,必定会有损耗,这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前,电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面。但是热设计也是十分困难的事情,涉及到的因素太多,比如电路板的尺寸和是否有空气流动。

  我们在查看 IC 产品规格书时,经常会看到 RJA、TJ、TSTG、TLEAD等名词;首先 RJA是指芯片热阻,即每损耗 1W 时对应的芯片结点温升,TJ是指芯片的结温,TSTG是指芯片的存储温度范围,TLEAD是指芯片的加工温度。

  术语解释

  首先了解一下与温度有关的术语:TJ、TA、TC、TT。由“图 1”可以看出,TJ是指芯片内部的结点温度,TA是指芯片所处的环境温度,TC是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度,TT是指芯片的表面温度。数据表中常见的表征热性能的参数是热阻 RJA,RJA定义为芯片的结点到周围环境的热阻。其中 TJ = TA +(RJA *PD)

电源系统的热设计技术 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

  对于芯片所产生的热量,主要有两条散热路径。第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体(RJT),通过对流/辐射(RTA) 到周围空气;第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘(RJC),通过对流/辐射(RCA)传导至 PCB 板表面和周围空气。对于没有散热焊盘的芯片,RJC是指结点到塑封体顶部的热阻;因为 RJC代表从芯片内的结点到外界的最低热阻路径。

  电源系统的热设计技术 (https://ic.work/) 电源管理 第2张

  设计实例: 某直流降压方案,输出 5V,电流 1A,转换效率η为 90%,环境温度 TA为 50℃。使用的电容额定温度 100℃,且跟芯片靠的很近,要求芯片 TJ 温度控制在 90℃。

  首先系统的损耗 PD=VOUT*IOUT*(1/η-1)=5*1*(1/0.9-1)=0.56W 。

  假定所有损耗都算在芯片上,可以计算出热阻 RJA≤(90℃-50℃)/0.56≤71.4℃/W。

  1.PCB 板尺寸

  选用芯片的热阻要低于 71.4℃/W,选用 SOP8-EP 芯片,其 RJA为 60℃/W,仍需要设计一个 PCB 板或散热片来把热量从塑封体传到周围空气。在只有自然对流(即没有空气流动)及没有散热片的情况下,一个两面都覆铜的电路板上,根据经验法则需要的电路板面积可用如下方程估算得到:

 电源系统的热设计技术 (https://ic.work/) 电源管理 第3张

  4.散热片

  散热片可以有效的降低芯片的温度,但是散热片的位置也很重要。对于贴片元器件,散热片可以直接放置在芯片塑封体顶部,如 “图 2”所示,但是由于芯片塑封体的热阻较大,且散热片与其接触不良,会降低散热片的性能。也可以将散热片与芯片背部的过孔相连,提高散热片的性能。

  电源系统的热设计技术 (https://ic.work/) 电源管理 第4张

  5.风冷

  在产品空间范围比较大,且不是密封的环境内,可以通过小功率的风扇产生气流,这样可以显著降低系统整体的热阻。

  6.灌胶

  对于要求防水、防尘、防震动的产品,可以通过在密封的模具中灌入导热硅脂,使电源系统元器件通过导热硅脂将热量传递到外壳,进而将热量散出去。

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