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了解热阻在系统层级的影响
 

【作者: David Toro】2021年09月16日 星期四

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在电阻方面,电流流动的原理可以比作热从热物体流向冷物体时遇到的阻力。每种材料及其介面都有一个热阻,可以用这些数字来计算从源头带走热的速率。在整合式装置中,半导体接面是产生热的来源,允许接面超过其最大操作温度将导致严重故障。整合式装置制造商虽使用一些技术来设计保护措施,以避免发生过热关机等情况,但不可避免的是仍会造成损坏。


采取一个更好的解决方案,就是在设计上选择抑制(或至少限制)会造成接面温度超过其操作最大值的情况。由於无法直接强制冷却接面温度,透过传导来进行散热是确保不会超过温度的唯一方法,工程师需要在这些限制范围内进行设计,以达到最高设计效率。


在计算接面散热速度之际,需要了解热的流经路径与沿途会遇到的所有阻力。图一显示热从接面流向环境空气时的路径,总热阻必须包括该路径上每种材料的热阻,这突显出装置制造商常使用的两个数字之间的重要差异:从接面到外壳的热阻(RθJC),以及从接面到环境空气的热阻(RθJA)。如图一所示,RθJA的数字将包括RθJC的数字。就算它不在装置制造商的控制范围内,在测试条件中显示出装置的这项特徵,将提供环境热阻数字,藉以指导工程师如何使用其装置。



图一 : 热阻包含从接面到环境的多个阶段(source:Diodes)
图一 : 热阻包含从接面到环境的多个阶段(source:Diodes)

测量功耗,以当成接面温度函数

必须了解热阻及其对装置所带来的影响有两个原因。首先,如前所述,必须将半导体的接面温度维持在一定程度以下,才不会造成故障。大多数晶片制程的半导体接面温度通常是 150度。


第二,有密切相关的是接面温度与功率量,或者更简单地说,半导体装置在维持低於其绝对最大接面温度的情况下,与可以进行的功率成正比。每次切换 MOSFET 时,它都会产生损耗,这便会产生热。高频率地进行切换,生热的速度将快於散热的速度,这便造成总接面温度升高。以下公式 1 为计算与温度有关的功耗公式。


PowerDissipated=TJ(max)- Tambient/Rθ (1)


此公式适用於任何用於热阻Rθ的叁考值。使用从接面到外壳的热阻所计算出的功耗值,自然与使用从接面到环境的热阻所计算出的功耗值大不相同。


按照流经装置接面的电流及接面的电阻,也能计算出某一特定产品应用的装置功耗值。若也已知热阻和最大接面温度(取自资料表),在经过简单的换算後,就能得到允许的最大环境温度值,指出是否应强制使用气冷方式对该产品应用进行降温。


来自外壳或环境的热阻?

制造商没有统一引用热阻的方式,可能会造成错误。如前所述,经常使用的数字是RθJC,它没有考虑到外壳和环境之间的热阻。这低估了装置外壳与系统其馀部分之间介面的重要性。


就功率 MOSFET 的散热而言,该装置的封装很可能在底部有一个大焊垫,内部连接到电晶体的汲极。这将是热通往装置接面的主要路径,因此大部分在装置接面处产生的热会流经装置,并且在这一点排出。这个焊垫会焊接到 PCB 上。PCB 焊垫的大小和形状、层数和轨道分布,都会影响到热透过 PCB 散布到环境中的速度。比起装置内部的热阻路径,设计影响这个数字的程度更高,热计算中的主要数字是外壳和环境之间的电阻。


散热器在热管理和接面温度中的重要性

这突显出散热器在电源产品应用中的重要性。加入更多的铜层或加大铜层的尺寸或厚度,将会影响到环境热阻的数字。减少热阻的一个简单方法,是在功率装置下面加入或加大接地平面。另一个比较花钱的办法是加入外部散热器。


在考量电源产品应用的热管理要求时,很容易只有按照资料表上的热阻数字来假设这些要求。在此用两个功率电晶体之间的比较范例,说明这可能会产生误导。两个装置在 VDS、ID及RDS(ON)方面都有类似的叁数。两者却使用不同的封装,一个的外壳热阻RθJC为1.0度/W,另一个则为0.5度/W。


根据提供的数字,乍看之下,将热阻数字较低的装置用在更高环境温度中的可能性会高出 50%。结果就是出现使用外部散热器或简单加入一个较大的接地平面这样的差异。显然,从物料清单和制造作业来看,较大的接地平面将是成本较低的选择。不过,在图二中显示了两个装置的实际环境热阻,在相同的测试条件下,使用从30mm2到超过300mm2的铜焊垫进行测量,实际差异可以略过不计。



图二 : 两个可比较装置的 RθJA之间的实际差异,其 RθJC值显着不同,如同其资料表中所述
图二 : 两个可比较装置的 RθJA之间的实际差异,其 RθJC值显着不同,如同其资料表中所述

各款的热阻数字显然不同。图三显示Diodes公司MOSFET各装置不同铜焊垫面积的热阻。这三条线都描绘出相似的趋势,尽管它们的接面到外壳的热阻明显不同,这表示在定义从接面到环境的热阻,PCB 成为主要因素。



图三 : Diodes三款功率 MOSFET的热阻
图三 : Diodes三款功率 MOSFET的热阻

为了满足客户渴??开发小巧型及功率密集型产品应用的需求,越来越多制造商将更小的表面黏着封装技术用於功率 MOSFET,这为设计人员带来更大的压力,无法自由设计产品。因此,在开发采用表面黏着封装技术的功率 MOSFET 产品时,必须确定热阻,它们在采取额外的热管理措施(如散热器或风扇)方面往往有所限制。


掌握从接面到环境的热阻路径,以及了解 PCB 在管理热分布方面所扮演的重要角色,工程师便能够按照实际要求决定设计内容,而非以人工方式限制功耗。


结论

妥善处理功率电晶体等装置所产生的热,是整体设计工作中重要的一环。简单利用制造商提供的热阻数字,说明装置在故障前可以做为热量散失的能量。我们必须了解,真正的效能有更大一部分取决於在 PCB 层级所采取的措施,而非资料表中接面到外壳的数字。


(本文作者David Toro任职於 Diodes 公司)


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