开关电源之热设计

一 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R_JA、T_J、T_STG、T_LEAD等名词；首先R_JA是指芯片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，T_J是指芯片的结温，T_STG是指芯片的存储温度范围，T_LEAD是指芯片的加工温度。

二 术语解释

       首先了解一下与温度有关的术语：T_J、T_A、T_C、T_T。由“图1”可以看出，T_J是指芯片内部的结点温度，T_A是指芯片所处的环境温度，T_C是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度，T_T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R_JA，R_JA定义为芯片的结点到周围环境的热阻。其中T_J = T_A +（R_JA *P_D）

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(R_JT)，通过对流/辐射(R_TA)到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘(R_JC)，通过对流/辐射(R_CA)传导至PCB板表面和周围空气。

         对于没有散热焊盘的芯片，R_JC是指结点到塑封体顶部的热阻；因为R_JC代表从芯片内的结点到外界的最低热阻路径。

三 典型热阻值

表1典型热阻

        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。

四 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

                                  P_D=V_OUT*I_OUT*(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R_JA≤(90℃-50℃)/0.56≤71.4℃/W

Part.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R_JA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：

Part.2  散热孔

       散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。

Part.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。

Part.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。

图2.散热片的摆放位置

Part.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。

Part.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。

本文来源：上海芯龙半导体技术股份有限公司

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