【導讀】我們設(shè)計的 DC-DC 電源一般包含電容、電感、肖特基、電阻、芯片等元器件;電源產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率不可能做到百分百,必定會有損耗,這些損耗會以溫升的形式呈現(xiàn)在我們面前,電源系統(tǒng)會因熱設(shè)計不良而造成壽命加速衰減。所以熱設(shè)計是系統(tǒng)可靠性設(shè)計環(huán)節(jié)中尤為重要的一面。但是熱設(shè)計也是十分困難的事情,涉及到的因素太多,比如電路板的尺寸和是否有空氣流動mer Premises Equipment,用戶駐地設(shè)備)的應(yīng)用模式,以及由艾睿電子、Nordic等公司推出的相關(guān)解決方案。
我們設(shè)計的 DC-DC 電源一般包含電容、電感、肖特基、電阻、芯片等元器件;電源產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率不可能做到百分百,必定會有損耗,這些損耗會以溫升的形式呈現(xiàn)在我們面前,電源系統(tǒng)會因熱設(shè)計不良而造成壽命加速衰減。所以熱設(shè)計是系統(tǒng)可靠性設(shè)計環(huán)節(jié)中尤為重要的一面。但是熱設(shè)計也是十分困難的事情,涉及到的因素太多,比如電路板的尺寸和是否有空氣流動。
我們在查看 IC 產(chǎn)品規(guī)格書時,經(jīng)常會看到 RJA、TJ、TSTG、TLEAD等名詞;首先 RJA是指芯片熱阻,即每損耗 1W 時對應(yīng)的芯片結(jié)點溫升,TJ是指芯片的結(jié)溫,TSTG是指芯片的存儲溫度范圍,TLEAD是指芯片的加工溫度。
術(shù)語解釋
首先了解一下與溫度有關(guān)的術(shù)語:TJ、TA、TC、TT。由“圖 1”可以看出,TJ是指芯片內(nèi)部的結(jié)點溫度,TA是指芯片所處的環(huán)境溫度,TC是指芯片背部焊盤或者是底部外殼溫度,TT是指芯片的表面溫度。數(shù)據(jù)表中常見的表征熱性能的參數(shù)是熱阻 RJA,RJA定義為芯片的結(jié)點到周圍環(huán)境的熱阻。其中 TJ = TA +(RJA *PD)
對于芯片所產(chǎn)生的熱量,主要有兩條散熱路徑。第一條路徑是從芯片的結(jié)點到芯片頂部塑封體(RJT),通過對流/輻射(RTA) 到周圍空氣;第二條路徑是從芯片的結(jié)點到背部焊盤(RJC),通過對流/輻射(RCA)傳導至 PCB 板表面和周圍空氣。對于沒有散熱焊盤的芯片,RJC是指結(jié)點到塑封體頂部的熱阻;因為 RJC代表從芯片內(nèi)的結(jié)點到外界的最低熱阻路徑。
設(shè)計實例: 某直流降壓方案,輸出 5V,電流 1A,轉(zhuǎn)換效率η為 90%,環(huán)境溫度 TA為 50℃。使用的電容額定溫度 100℃,且跟芯片靠的很近,要求芯片 TJ 溫度控制在 90℃。
首先系統(tǒng)的損耗 PD=VOUT*IOUT*(1/η-1)=5*1*(1/0.9-1)=0.56W 。
假定所有損耗都算在芯片上,可以計算出熱阻 RJA≤(90℃-50℃)/0.56≤71.4℃/W。
1.PCB 板尺寸
選用芯片的熱阻要低于 71.4℃/W,選用 SOP8-EP 芯片,其 RJA為 60℃/W,仍需要設(shè)計一個 PCB 板或散熱片來把熱量從塑封體傳到周圍空氣。在只有自然對流(即沒有空氣流動)及沒有散熱片的情況下,一個兩面都覆銅的電路板上,根據(jù)經(jīng)驗法則需要的電路板面積可用如下方程估算得到:
4.散熱片
散熱片可以有效的降低芯片的溫度,但是散熱片的位置也很重要。對于貼片元器件,散熱片可以直接放置在芯片塑封體頂部,如 “圖 2”所示,但是由于芯片塑封體的熱阻較大,且散熱片與其接觸不良,會降低散熱片的性能。也可以將散熱片與芯片背部的過孔相連,提高散熱片的性能。
5.風冷
在產(chǎn)品空間范圍比較大,且不是密封的環(huán)境內(nèi),可以通過小功率的風扇產(chǎn)生氣流,這樣可以顯著降低系統(tǒng)整體的熱阻。
6.灌膠
對于要求防水、防塵、防震動的產(chǎn)品,可以通過在密封的模具中灌入導熱硅脂,使電源系統(tǒng)元器件通過導熱硅脂將熱量傳遞到外殼,進而將熱量散出去。
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