在轉換數據表的熱阻參數時，如何做出有意義的設計決策存在很多困惑。這篇介紹性文章將幫助當今的硬件工程師了解如何解讀數據表中的熱參數——包括是否選擇 theta 與 psi、如何計算這些值，以及最重要的是如何以實用的方式將這些值應用到設計中。 本文還將描述應用環境溫度之間的關系，以及它們如何與 PCB 溫度或 IC 結溫進行比較。最后，將討論功耗如何隨溫度變化，以及如何利用這一特性來實現冷卻運行、成本優化的解決方案。

電熱類比

為了更容易地理解熱量，可以在熱量和電量之間進行某些類比。表 1 和表 2 比較了電量和熱量，以及它們的材料常數。

表 1：電量和熱量之間的模擬關系

表 2：不同材料的材料常數和變量

電學和熱學類比方程

電量和熱量可以在網絡中計算，并且與基爾霍夫規則相當（參見表 3）。

表 3：電氣和熱過程方程之間的類比

數據表中的熱阻（θ JA 和 θ JC）

圖 1 介紹了 MPS 的直流開關電源 IC MPQ4572，作為了解熱參數的示例。在本數據表中，有兩個指定的熱阻參數：θ JA 和 θ JC。這些參數將在本文中更詳細地討論。

圖 1：數據表中的熱阻（θJA 和 θJC）規格

圖 2 顯示了具有 5V/2A 輸出的典型 MPQ4572 應用電路。

圖 2：具有 5V/2A 輸出的 MPQ4572 典型應用電路

什么是結至環境熱阻 （θ JA ）？

θ JA 定義為從結點到環境溫度的熱阻。它是衡量器件通過所有傳熱路徑、銅跡線、通孔和空氣公約條件的總和將熱量從結消散到環境溫度的能力。

因此，給定的 θ JA 僅對其定義的 PCB 有效。認為 θ JA 是一個可以在所有 PCB 上使用的常數是一個常見的錯誤。θ JA 允許比較常見 PCB 上的不同封裝，例如 JEDSD51-7。例如，如果 MPQ4572 位于 4 層 JESD51-7 PCB （4）上，則其 θ JA 可通過公式 （1） 計算：

注：

4）JESD51-7 為 4 層 PCB，是一種用于引線表面貼裝封裝的高效導熱測試板。它是 114.3mmx76.2mm。

如果 MPQ4572 是 4 層，2oz。銅 MPS 測試 PCB （8.9cmx8.9cm），其 θ JA 可用公式（2）計算：

圖 3 顯示了 EVQ4572-QB-00A，它是 MPQ4572 的評估板。

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評估板

當 R T = 25°C 時，EVQ4572-QB-00A 的功耗為 1.1W。對于 JESD51-7 板，結溫 （T J ） 可以通過公式 （3） 估算：

什么是結殼熱阻 （θ JC ）？

θ JC 定義為封裝底部結到外殼溫度的熱阻。該溫度是在引腳附近測量的。使用 θ JC 和公式 （4）計算結溫：

其中 Heatflow JC 是從結流向外殼的熱量。熱流JC 可以用公式 （5） 估算：

其中 Heatflow JT 是從結流到頂面的熱量。圖 4 顯示了為什么 θ JC 不能用作定制 PCB 上的測量值。

圖 4：結殼熱阻 （θJC）

θ JC 不能用于定制 PCB 上的測量，原因有兩個：

定制 PCB 可以是任何尺寸，這可能不同于具有固定 114.3mmx76.2mm 尺寸的 JESD51-7 PCB。θ JC的目的 是比較不同封裝的傳熱能力，因此應該使用 JEDSD51-7 PCB 進行比較，因為它的參數已經過研究和測量。

從定制 PCB 封裝流出的實際熱量未知，而 JEDSD51-7 PCB 已經測量了這個參數。考慮耗散為 1.1W 的示例。在該示例中，熱流分為兩條路徑：θ JC （對于定制 PCB 未知），以及通過對流從封裝表面輻射到環境的熱流。

結到外殼頂部 （Ψ JT ） 和結到板 （Ψ JB ） 的熱特性參數是什么？

希臘字母Ψ的名稱是psi。 JESD51-2A 中描述了Ψ JT 和 Ψ JB 。當設計人員知道電氣設備的總功率時，可以使用 Psi。設備功率通常很容易測量，通過 psi 計算，用戶可以直接計算出電路板的結溫。

Ψ JT 和 Ψ JB 是在指定環境下以測量為特征的虛擬參數。結溫可通過公式 （6） 計算：

其中 T SURFACE （°C） 是封裝頂部的溫度，而 P DEVICE 是 IC 中的電功率。

等式 （6） 使用了器件的總功耗。這意味著不必知道封裝頂部和引腳之間的功率分布。這是使用熱特性參數而不是θ JC的優勢。

Ψ JT的典型值 介于 0.8°C/W 和 2.0°C/W 之間。較小的封裝往往具有較低的 Ψ JT，而具有較厚模塑料的較大封裝具有較大的 Ψ JT。分別用方程 （7） 和方程 （8） 估計 theta （θ） 和 psi （Ψ） 之間的差異：

用熱網絡計算

圖 5 顯示了可以轉換為等效線性電氣網絡的熱網絡。θ JA 是結與環境空氣之間等效熱阻的典型名稱。

圖 5：IC 和 PCB 的熱網絡圖

熱阻 （°C/W）、熱流 （W） 和溫差 （Kelvin） 的使用描述了系統具有熱穩定性時的情況。如果將熱容量 （Ws/K） 添加到該網絡，則可以計算瞬態響應。

隨著網絡規模和詳細程度的增加，這樣的計算變得越來越復雜。硬件開發人員通常缺乏有關尺寸、材料常數和熱流的精確信息。布局和熱程序可以通過有限元計算以圖形方式表示熱分布，是避免較大數學計算的好選擇。

布局建議

為了保持設備冷卻，建議使 IC 和銅平面之間的金屬熱傳遞路徑盡可能短。使用兩個溫差較大的點來輔助冷熱溫度之間的金屬傳熱路徑。在這個系統中，與較冷的 VIA2 相比，VIA1 的頂層和底層之間的銅溫差更大（見圖 6）。這意味著 VIA1 可以在兩層之間傳輸更大的熱流，從而實現更有效的冷卻。靠近封裝放置的過孔是最有效的。

圖 6：直流開關電源 IC 的熱圖像

必須在 IC 附近放置一條連續的銅熱通路。避免使用不必要的導體軌道切割平面。外層最能將熱量輻射到環境中。避免為靠近 IC 放置的部件提供散熱，因為散熱會影響熱量傳輸。

通孔改善層間的熱流。GND 和穩定的電位是熱過孔的合適位置。填充和封蓋的過孔提高了導熱性，并且可以直接放置在表面貼裝技術 （SMT） 焊盤下方。大規模熱布局通常有利于電磁兼容性 （EMC）。避免使用具有高 dI/dt 或 du/dt 的過孔（例如開關節點），因為這會降低 EMC 性能。

FR4是一種廣泛使用的PCB環氧材料，由于其環氧樹脂和玻璃纖維不能很好地導熱，因此導熱率低。在 PCB 層之間放置銅通孔，以改善層間的熱連接。某些 PCB 材料的導熱性是 FR4 的 4 到 8 倍。

結論

MPS的 MPQ4572 用于展示熱參數如何類似于電量和網絡，并且兩者可以相互轉換。工程師經常使用的電量有助于快速了解 PCB、環境和半導體之間相互作用的熱參數。

器件數據表中通常列出的熱阻參數（θ JA 和 θ JC）允許設計人員比較不同封裝的熱特性。特征化熱阻（Ψ JT 和 Ψ JB）允許設計人員計算定制應用的結溫。IC 表面頂部的溫度測量可以很容易地獲得準確的結溫。

審核編輯：郭婷