电源系统的热设计技术

【导读】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mer Premises Equipment，用户驻地设备）的应用模式，以及由艾睿电子、Nordic等公司推出的相关解决方案。

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）

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。

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：

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。

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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