4.1介紹

4.1.1對熱分析的需求

功率MOSFETs在現代電子電路設計中是常見的，在那里它們經常被用于開關許多不同類型的負載——根據應用不同，從幾個毫安或更少到幾十個安培。功率MOSFETs的流行幾乎可以肯定是由于他們比對應功率的IGBT容易，以及廣泛的封裝，電壓和RDS(on)組合，且易于可得到。

當然，MOSFET不是完美的開關，也不是堅不可摧的，在設計一個使用MOSFET器件的系統時，電路設計人員應該注意以下的熱因素:

l即使完全打開，MOSFET也會因為I2.R而耗散功率。(RDS(on)為器件導通電阻)

lI2.RDS(on)損失將導致器件和其他地方的溫度上升

lMOSFETs可能被過度的器件溫度損壞或破壞

在使用功率MOSFETs進行設計時，熱方面是一個重要的問題，特別是在可能在高環境溫度下工作的應用中，因為如果運行要保持在規范內，MOSFET結溫度(Tj)必須保持在175℃以下。同樣重要的是要記住，表面安裝mosfet焊接的PCB也會有最大的工作溫度120℃。mosfet將使用PCB作為他們的主要散熱方法，其耗散的熱能也會導致PCB溫度上升。因此，必須注意PCB溫度也保持在可接受的范圍內。

4.1.2MOSFET的Rth參數及其局限性

為了對器件的熱性能進行一些測量，采用“熱阻”數值是MOSFET數據表的常規工業做法。“熱阻”的概念類似于電阻的概念，在許多關于熱管理的文獻中都有描述。

數據表中最常見的兩個MOSFET熱阻值為:

Rth(j-a)：從器件結(晶元)到環境的熱阻。這是一個單一的熱阻值，是所有可能的級數和從結到環境的平行路徑的有效值。通常，這將包括直接從器件包表面的熱損失路徑，以及通過器件焊接到的PCB。

Rth(j-mb)從接頭到安裝基座的耐熱性。“安裝基座”定義為器件通常焊接到PCB上的點，主要是傳導路徑。

在JESD51-x系列標準中描述了應該測量器件熱阻數字的方法和條件，正如人們可能期望的那樣，這些標準在描述應該如何進行測試時非常精確。因此，可以預期，對于希望對系統進行熱分析的設計者來說，熱阻數字將足夠。不幸的是，情況并非如此，原因如下:

Rth(ja)數字高度依賴于PCB的構造和布局以及PCB在JESD51標準中定義的通常不代表那些在實際應用中發現的。

lMOSFET制造商為他們的Rth(ja)數據表指定的PCB幾乎從來都不遵循JEDEC的指導方針，通常只在最模糊的術語中描述，并且在制造商與制造商之間是不一致的

lRth(ja)測試方法不允許在同一PCB上近距離安裝多個器件(現實應用場景中的典型安排)

熱阻Rth(j-mb)只是連接到周圍環境的總熱通道的一部分。

顯然，公布的熱阻數字Rth(j-mb)和Rth(j-a)在實際電路和系統的熱分析中沒有什么實際用途。公布的Rth數據從未打算用于設計或系統分析，正如本文所述規范JESD51-2表示:“……本文件的目的是概述為確保自然對流中標準結對環境(ja)熱阻測量的準確性和重復性所必需的環境條件。(Rth(ja)測量的目的是僅用于在標準化環境中對一個封裝與另一個封裝的熱性能進行比較。這種方法不打算也不會預測封裝在特定于應用場景的環境中的性能。

遺憾的是，盡管JEDEC給出了明確的聲明，我們仍然看到許多設計師試圖在熱設計和分析實踐中使用數據表Rth數據。

4.1.3目的

確定了數據表Rth數據不適合對真實條件中的應用進行熱分析之后，人們自然會問:還有什么可選的呢?不幸的是，沒有一種簡單的熱分析方法適用于復雜的情況，同時提供了合理的精確度。涉及的傳熱機制太復雜，有太多的相互作用的熱傳導途徑，使得簡單而有效的分析方法難以實現。一般來說，這種分析只能由以下兩種方式進行:

?在模擬中使用基于計算機的模擬；或

?在真實條件中構建場景并進行實驗評估

前一種方法可以產生精確、快速的結果，代價是昂貴的軟件和運行它所需的必要技能，而后一種方法會帶來與構建和度量一個代表性模型相關的時間和成本。

我們認識到第三種方法也可能是有用的，特別是在PCB設計的早期階段，它彌合在不太有用的Rth數字極端和完全原型模擬極端的鴻溝。這一章將概括地說明術語，可應用于典型PCB設計的不同技術，以引導布局者朝著具有最佳熱性能的方向發展。將考慮的因素包括:

?PCB層層疊

?常見電路拓撲結構對PCB布局的影響

?PCB銅面積

?熱散熱過孔的影響

?器件位置和間距

?多個功率器件在一個PCB上的影響

不指望本文討論器件放置、層疊等各種可能的組合。相反，本文的目的是為工程師提供基本的指導，當設計者面對全新的設計任務，缺乏有用的信息，可能會問自己;“我怎么能保證我的器件在安全的溫度下運行呢?”最后，毫無疑問，本設計指南中包含的信息僅作為起點。當然，任何新設計在投入生產之前都應該先進行原型設計，并對其熱行為進行表征化。

4.2熱分析的通用方法。

4.2.1熱模擬軟件的使用

為了能夠快速、靈活地分析多參數變化，本文的熱分析是利用熱模擬軟件進行的。這些模擬使用了MOSFET模型，這些模型已經根據經驗數據進行了驗證，并且已知能夠精確地模擬真實器件的熱行為。

用于進行分析的熱模擬軟件是Mentor Graphics(Flomerics)“Flotherm”軟件包。分析中使用的器件模型可以從Nexperia的網站上免費下載。

4.2.2模擬設置

所考慮的PCB具有以下一般特征:

?它們是表面安裝設計和MOSFETs在表面安裝LFPAK封裝

?PCB疊層的范圍從1到4層，但總厚度為1.6mm。

?PCB材料為標準FR4，額定最高工作溫度為120℃。

?在所有層銅厚度是1盎司/ft2(35μm)

?PCB懸浮在空氣中的其他重要其它重要因素:

?環境溫度為20℃

?模擬解決熱傳導、對流和輻射傳熱問題

?MOSFET的功耗為0.5W/臺

?不采用強制空氣冷卻，即只自然對流進行建模

4.2.3PCB布局和層疊

4.2.3.1影響PCB布局和疊層的因素

在設計PCB時，我們不能自由的選擇來放置MOSFET器件和其他組件以及如何將它們連接在一起。通常，器件的放置和連接是協調各種(通常是相互沖突的)需求的問題。影響元件放置的因素可能包括:

?電路拓撲結構

?電磁兼容性設計(EMC)

?熱力性能設計

?將某些組件(如連接器)置于預先定義的位置的必要性

?需要在特定區域提供低電阻和低電感的電流路徑

如果我們從熱的角度考慮PCB設計，那么實際的熱設計可能必須在某些方面有所妥協，以適應對設計的其他要求。

4.2.3.2電路拓撲

電路拓撲可能是所有影響PCB設計的因素中最不靈活的。畢竟，如果組件沒有以合適的方式連接在一起，那么電路就不會像預期的那樣運行。該拓撲還將規定哪些MOSFET端子可以連接到銅平面，因此可以使用這些平面來幫助散熱。

對于像LFPAK這樣的表面安裝封裝來說，這一點尤為重要，在這種情況下，從封裝中流出的主要熱通道是通過器件下方的器件漏極片。因此，電路的拓撲結構對熱設計和相應的器件運行溫度有很大的影響。

本指南將考慮幾種不同的拓撲，并且相信這些拓撲將與大量典型的最終用戶應用場景相關。

4.2.3.3電磁兼容性設計(EMC)

電磁兼容性設計是一個復雜的課題，它遠遠超出了本文的范圍。然而，EMC設計的一個簡單方面與熱設計密切相關——在PCB中提供接地層。

從EMC的角度來看，多層PCB至少應該有一層銅層，這一層銅層只能作為接地平面層使用，并且有最少的空穴和缺口。這一要求并不與良好的熱設計相沖突——事實上，在PCB疊層中存在連續的銅層能提高整個板的熱性能。在所有的分析中，將考慮包含專用地平面的PCB布局。

責任編輯：xj

原文標題：PCB熱設計---概述

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