数据表热参数和IC结温概览

在转换数据表的热阻参数时，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解读数据表中的热参数——包括是否选择 theta 与 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到设计中。 本文还将描述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，将讨论功耗如何随温度变化，以及如何利用这一特性来实现冷却运行、成本优化的解决方案。

电热类比

为了更容易地理解热量，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

表 2：不同材料的材料常数和变量

电学和热学类比方程

电量和热量可以在网络中计算，并且与基尔霍夫规则相当（参见表 3）。

表 3：电气和热过程方程之间的类比

数据表中的热阻（θ JA 和 θ JC）

图 1 介绍了 MPS 的直流开关电源 IC MPQ4572，作为了解热参数的示例。在本数据表中，有两个指定的热阻参数：θ JA 和 θ JC。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

什么是结至环境热阻 （θ JA ）？

θ JA 定义为从结点到环境温度的热阻。它是衡量器件通过所有传热路径、铜迹线、通孔和空气公约条件的总和将热量从结消散到环境温度的能力。

因此，给定的 θ JA 仅对其定义的 PCB 有效。认为 θ JA 是一个可以在所有 PCB 上使用的常数是一个常见的错误。θ JA 允许比较常见 PCB 上的不同封装，例如 JEDSD51-7。例如，如果 MPQ4572 位于 4 层 JESD51-7 PCB （4）上，则其 θ JA 可通过公式 （1） 计算：

注：

4）JESD51-7 为 4 层 PCB，是一种用于引线表面贴装封装的高效导热测试板。它是 114.3mmx76.2mm。

如果 MPQ4572 是 4 层，2oz。铜 MPS 测试 PCB （8.9cmx8.9cm），其 θ JA 可用公式（2）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。对于 JESD51-7 板，结温 （T J ） 可以通过公式 （3） 估算：

什么是结壳热阻 （θ JC ）？

θ JC 定义为封装底部结到外壳温度的热阻。该温度是在引脚附近测量的。使用 θ JC 和公式 （4）计算结温：

其中 Heatflow JC 是从结流向外壳的热量。热流JC 可以用公式 （5） 估算：

其中 Heatflow JT 是从结流到顶面的热量。图 4 显示了为什么 θ JC 不能用作定制 PCB 上的测量值。

图 4：结壳热阻 （θJC）

θ JC 不能用于定制 PCB 上的测量，原因有两个：

定制 PCB 可以是任何尺寸，这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。

从定制 PCB 封装流出的实际热量未知，而 JEDSD51-7 PCB 已经测量了这个参数。考虑耗散为 1.1W 的示例。在该示例中，热流分为两条路径：θ JC （对于定制 PCB 未知），以及通过对流从封装表面辐射到环境的热流。

结到外壳顶部 （Ψ JT ） 和结到板 （Ψ JB ） 的热特性参数是什么？

希腊字母Ψ的名称是psi。 JESD51-2A 中描述了Ψ JT 和 Ψ JB 。当设计人员知道电气设备的总功率时，可以使用 Psi。设备功率通常很容易测量，通过 psi 计算，用户可以直接计算出电路板的结温。

Ψ JT 和 Ψ JB 是在指定环境下以测量为特征的虚拟参数。结温可通过公式 （6） 计算：

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

等式 （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布。这是使用热特性参数而不是θ JC的优势。

Ψ JT的典型值 介于 0.8°C/W 和 2.0°C/W 之间。较小的封装往往具有较低的 Ψ JT，而具有较厚模塑料的较大封装具有较大的 Ψ JT。分别用方程 （7） 和方程 （8） 估计 theta （θ） 和 psi （Ψ） 之间的差异：

用热网络计算

图 5 显示了可以转换为等效线性电气网络的热网络。θ JA 是结与环境空气之间等效热阻的典型名称。

图 5：IC 和 PCB 的热网络图

热阻 （°C/W）、热流 （W） 和温差 （Kelvin） 的使用描述了系统具有热稳定性时的情况。如果将热容量 （Ws/K） 添加到该网络，则可以计算瞬态响应。

随着网络规模和详细程度的增加，这样的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分布，是避免较大数学计算的好选择。

布局建议

为了保持设备冷却，建议使 IC 和铜平面之间的金属热传递路径尽可能短。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。在这个系统中，与较冷的 VIA2 相比，VIA1 的顶层和底层之间的铜温差更大（见图 6）。这意味着 VIA1 可以在两层之间传输更大的热流，从而实现更有效的冷却。靠近封装放置的过孔是最有效的。

图 6：直流开关电源 IC 的热图像

必须在 IC 附近放置一条连续的铜热通路。避免使用不必要的导体轨道切割平面。外层最能将热量辐射到环境中。避免为靠近 IC 放置的部件提供散热，因为散热会影响热量传输。

通孔改善层间的热流。GND 和稳定的电位是热过孔的合适位置。填充和封盖的过孔提高了导热性，并且可以直接放置在表面贴装技术 （SMT） 焊盘下方。大规模热布局通常有利于电磁兼容性 （EMC）。避免使用具有高 dI/dt 或 du/dt 的过孔（例如开关节点），因为这会降低 EMC 性能。

FR4是一种广泛使用的PCB环氧材料，由于其环氧树脂和玻璃纤维不能很好地导热，因此导热率低。在 PCB 层之间放置铜通孔，以改善层间的热连接。某些 PCB 材料的导热性是 FR4 的 4 到 8 倍。

结论

MPS的 MPQ4572 用于展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有助于快速了解 PCB、环境和半导体之间相互作用的热参数。

器件数据表中通常列出的热阻参数（θ JA 和 θ JC）允许设计人员比较不同封装的热特性。特征化热阻（Ψ JT 和 Ψ JB）允许设计人员计算定制应用的结温。IC 表面顶部的温度测量可以很容易地获得准确的结温。

审核编辑：郭婷