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开关电源之热设计

引言 

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)

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图1.简化热阻模型

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。

典型热阻值 

表1典型热阻 

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从表1可以看出,热阻与PCB板尺寸、空气流动、PCB板厚度、过孔数量等参数都有关系。

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: 

电路板面积image

2.散热孔 

热孔对应的热阻方程:

通过以上公式可知,增加散热孔的数量可以有效降低过孔的热阻。 

3.铜箔厚度 

铜箔对应的热阻方程:

其中λCu=4W/cm℃,长度和宽度单位都是厘米,可以通过增加铜箔厚度来降低热阻。 

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。

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 图2.散热片的摆放位置 

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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