热参数如何与PCB温度或IC结温进行比较

在转换数据手册的热阻参数时，如何做出有意义的设计决策存在很多困惑。这篇介绍性文章将帮助当今的硬件工程师了解如何破译数据手册中的热参数-包括是否选择theta vs. psi，如何计算这些值，以及最重要的是如何以实用的方式将这些值应用于设计中。本文还将介绍应用环境温度之间的关系，以及它们如何与PCB温度或IC结温进行比较。最后，它将讨论功耗如何随温度变化，以及如何使用该特性来实现冷运行，成本优化的解决方案。

电热类比

为了更轻松地了解热量，可以在热量和电量之间进行某些类比。表1和表2比较了电量和热量以及它们的材料常数。

表1：电量和热量之间的模拟关系（1）

注意：
1）该表的内容来自Technische Temperaturmessung：第一卷，Frank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。
2）el表示电值，th表示热值。

表2：不同材料的材料常数和变量

电气和热模拟方程

电量和热量可以在网络中计算，并且可以与基尔霍夫的规则相提并论（见表3）。

表3：电气和热过程方程之间的类比（3）

注意：
3）该表的内容来自Technische Temperaturmessung：第一卷，Frank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。

数据表中的热阻（θJA和θJC）

图1引入了MPQ4572，这是MPS的DC开关电源IC，作为理解热参数的示例。在本数据表中，有两个指定的热阻参数：θJA和θJC。这些参数将在本文中更详细地讨论。

图1：数据表中的热阻（θJA和θJC）规格

图2显示了具有5V / 2A输出的典型MPQ4572应用电路。

图2：具有5V / 2A输出的MPQ4572典型应用电路

结至环境热阻（θJA）是多少？

θ JA被定义为从结点到环境温度的热阻。它衡量设备通过所有传热路径，铜走线总和，过孔和空气流通条件将结点的热量散发到环境温度的能力。

因此，给定的θJA仅对其定义的PCB有效。一个普遍的错误是认为θJA是可以在所有PCB上使用的常数。θ JA允许在共同的PCB不同的包，诸如JEDSD51-7的比较。例如，如果MPQ4572是一个4层PCB JESD51-7上（4） ，其θ JA可以用公式（1）计算：

注意：
4）JESD51-7是4层PCB，是用于带引线表面安装封装的高效导热测试板。它是114.3mmx76.2mm。其测量方法可从https://www.jedec.org/获得。

如果MPQ4572位于4层上，则为2盎司。铜MPS测试PCB（8.9cmx8.9cm），其θ JA可以与等式（2）来计算：

图3显示了EVQ4572-QB-00A，它是MPQ4572的评估板。

图3：EVQ4572-QB-00A评估板

当R T = 25°C时，EVQ4572-QB-00A的功耗为1.1W 。使用JESD51-7板时，可以用公式（3）估算结温（T J）：

结壳热阻（θJC）是多少？

θ JC被定义为从结到外壳的温度在封装底部的热阻。在靠近引脚的位置测量该温度。用θJC和公式（4）计算结温：

其中，热流JC是从结点流到外壳的热量。热流JC可用公式（5）估算：

其中，热流JT是从结点流到顶表面的热量。图4显示了为什么不能将θJC用作定制PCB上的测量结果。

图4：结到外壳的热阻（θJC）

θ JC不能用于有两个原因定制PCB上的测量：

定制PCB可以是任何尺寸，可能与JESD51-7 PCB的114.3mmx76.2mm固定尺寸不同。θJC的目的是比较不同封装的传热能力，因此，应该使用JEDSD51-7 PCB进行比较，因为它的参数已经过研究和测量。

来自定制PCB封装的实际热量尚不清楚，而JEDSD51-7 PCB已经测量了此参数。考虑具有1.1W功耗的示例。在示例中，热流分为两条路径：θJC（定制PCB未知），以及通过对流从封装表面辐射到环境的热流。

哪些是对热特性参数结到外壳顶部（Ψ JT）和结对板（Ψ JB）？

希腊字母的名称是psi。Ψ JT和Ψ JB在JESD51-2A中描述。当设计人员知道电气设备的总功率时，可以使用Psi。器件功率通常很容易测量，通过以psi为单位进行计算，用户可以直接计算电路板的结温。

Ψ JT和Ψ JB是一个指定的环境下，其特征在于测量虚拟参数。结温可以用公式（6）计算：

其中T SURFACE（°C）是封装顶部的温度，P DEVICE是IC中的电源。

公式（6）使用了器件的总功耗。这意味着不必知道封装顶部和引脚之间的功率分配。这是使用热特性参数而不是θJC的优势。

对于Ψ的典型值JT是0.8℃/ W和2.0℃/ W之间。更小的封装趋向于具有较低的Ψ JT，而具有较厚模制化合物更大的封装具有更大的Ψ JT。分别用公式（7）和公式（8）估算theta（θ）和psi（psi）之间的差：

热网计算

图5显示了可以转换为等效线性电网的热网络。θ JA是用于结点和环境空气之间的等效热阻典型名称。

图5：IC和PCB的热网络图

系统具有热稳定性时，使用热阻（°C / W），热流（以W为单位）和温差（以Kelvin为单位）来描述系统。如果将热容量（Ws / K）添加到此网络，则可以计算出瞬态响应。

随着网络规模的增加和详细程度的提高，这种计算变得越来越复杂。硬件开发人员通常缺乏有关尺寸，材料常数和热流的精确信息。布局和热程序可以通过有限元计算以图形方式表示热量分布，是避免进行较大的数学计算的不错选择。

布局建议

为了使器件保持凉爽，建议使IC和铜平面之间的金属传热路径尽可能短。使用两个温差较大的点来辅助冷热温度之间的金属传热路径。在该系统中，与较冷的VIA2相比，VIA1在顶层和底层之间具有更高的铜温差（请参见图6）。这意味着VIA1可以在两层之间传递更大的热量，从而实现更有效的冷却。靠近封装放置的过孔最有效。

图6：直流开关电源IC的热图像

必须在IC附近放置连续的铜热路径。避免切割带有不必要导体轨道的平面。外层最好能够将热量散发到环境中。避免为靠近IC的零件提供散热，因为散热会影响热量的传输。

通孔改善了层之间的热流。GND和稳定的电势是热过孔的合适位置。填充和封盖的通孔提高了导热性，可以直接放置在表面贴装技术（SMT）焊盘下面。大规模的热布局通常有利于电磁兼容性（EMC）。避免使用具有较高dI / dt或du / dt的通孔（例如，交换节点），因为这会降低EMC性能。

FR4是一种广泛使用的PCB环氧树脂材料，由于其环氧树脂和玻璃纤维不能很好地导热，因此导热系数低。在PCB层之间放置铜过孔，以改善层之间的热连接。某些PCB材料的导热性是FR4的4至8倍。

结论

MPS的MPQ4572用于显示热参数如何类似于电量和网络，并且两者可以相互转换。工程师经常使用的电量使您能够快速了解​​PCB，环境和半导体之间相互作用中的热参数。

器件数据手册中通常列出了热阻参数（θJA和θJC），允许设计人员在不同封装的热特性之间进行比较。其特征在于耐热性（Ψ JT和Ψ JB）允许设计者计算自定义应用程序的结温。IC表面顶部的温度测量使其易于获得准确的结温。
编辑：hfy