设计高输出功率预调节器时使用散热片的效果

自动驾驶是所有汽车OEM在这个时代面临的新一波重要趋势，车辆内的电子控制单元（ECU）数量急剧增加。其中涵盖了诸多应用，例如驾驶辅助摄像头、数据融合ECU以及它们各自的功耗管理。根据应用和操作范围，预调节器的输出功率范围不等，小至停车辅助ECU的几瓦特，大至数据融合ECU的上百瓦特。本系列文章将阐述使用散热片降低电子器件热应力的潜在意义，以及系统热性能与各种因素（例如散热片的位置和尺寸）的相关性。      

之前我们分享了高功率降压转换的散热评估测试原理概述，对比了三种不同配置下电路板热性能。今天将为大家重点介绍在设计高输出功率预调节器时使用散热片的效果。

有无散热片比较

图24和25显示了在没有和有顶面散热片的情况下MOSFET的温度变化。在较高电流下，没有散热片的低边MOSFET比带有顶面散热片的 MOSFET 更热。低边MOSFET在20.0A时使用60mm散热片比不使用散热片时大约低30°C。同样，与没有散热片的MOSFET相比，带有25mm散热片的MOSFET的温度降低了22°C。

图24.带和不带顶面散热片的低边MOSFET温度变化

高边MOSFET在20.0A时使用60mm散热片比不使用散热片时大约低33°C。同样，与没有散热片的MOSFET相比，使用25mm散热片时，MOSFET 的温度降低了26°C。

图25.带和不带顶面散热片的高边MOSFET温度变化

图26和27显示了在没有和有底面散热片的情况下MOSFET的温度变化。在较高电流下，没有散热片的低边MOSFET比有底面散热片的MOSFET更热。低边MOSFET在20.0A时使用60mm散热片比不使用散热片时大约低29°C。同样，与没有散热片的MOSFET相比，带有25mm散热片的 MOSFET 的温度降低了23°C。

图26.带和不带底面散热片的低边MOSFET温度变化

高边MOSFET在20.0A时使用60mm散热片比不使用散热片时大约低31°C。同样，与没有散热片相比，具有25mm散热片的MOSFET的温度降低了25°C。

图27.带和不带底面散热片的高边MOSFET温度变化

间隙垫的影响

对于60mm散热片，下面的测量结果是在20.0A负载电流下使用3W/(m·K)和6W/(m·K)间隙垫记录的，以了解间隙垫厚度对热性能的影响。两种不同的间隙垫是KERAFOL 86/300 SOFTTHERM和86/600 SOFTTHERM，如本白皮书开头的表2所示。

使用顶面散热片的情况下，当间隙垫从3W/(m·K)改为6W/(m·K)时（热阻约为原来的一半），观察到低边 MOSFET 的温度降低了1.6%，高边MOSFET的温度降低了3.5%（表 15）。

表15.  带顶面散热片的间隙垫

顶面有60mm散热片 - Vin=12V，Vout=5V，Iout=20A
	3W/(m·K)	6W/(m·K)	差异
低边 MOSFET 温度	53.8°C	52.9°C	-1.6%
高边 MOSFET 温度	57.1 °C	55.1°C	-3.5%

使用底面散热片的情况下，测得低边MOSFET的温度降低约7.6%，高边MOSFET的温度降低约6.6%（表 16）。

表16.  带底面散热片的间隙垫

底面有60mm散热片 - Vin=12V，Vout=5V，Iout=20A
	3 W/(m·K)	6 W/(m·K)	差异
低边 MOSFET 温度	54.8°C	50.6°C	-7.6%
高边 MOSFET 温度	58.6°C	54.7°C	-6.6%

顶面裸露焊盘与底面裸露焊盘

正如突出显示的那样，PCB针对良好的导热性和散热性进行了优化，可作为MOSFET的非常有效的散热片。在存在多个热源且PCB的散热能力有限的实际应用中，这种方法通常不可取。首选的散热方法是通过与PCB热连接的ECU外壳进行散热。采用“顶面散热”封装的MOSFET可实现热源 (MOSFET) 和散热片（外壳）之间的最低热阻，允许顶面MOSFET的裸露焊盘与散热片之间的直接热连接，同时最大限度地减少热量流入PCB。

需要具有相同管芯但不同封装的MOSFET来直接比较它们的热性能。之前的所有测量均使用NVMFS5C460NL，但此MOSFET在“顶面散热”封装变体中不可用。所以NVMFS5C450N（SO-8FL底面裸露焊盘）和 NVMJST3D3N04C（“顶面散热”封装，顶面裸露焊盘）被选择用于以下测量。

NVMJST3D3N04C仅作为标准级器件提供，而NVMFS5C460NL是逻辑级器件。在这种应用中，标准级器件的效率预计会略低于逻辑级器件。尽管如此，由于损耗并不大，因此只能比较热性能、NVMFS5C450N和NVMJST3D3N04C的差异。

表17.  封装概览

SO-8FL中NVMFS5C450N顶面的塑料表面积为31.7mm2，与LFPAK10 TC中NVMJST3D3N04C底面的塑料表面 (27.0mm2) 相比稍大.两种器件的裸露焊盘大小大致相同。

高度为25mm的散热片用于以下测量，以避免散热片的任何限制并最大限度地提高热性能以优化加热时的任何差异。

底面裸露焊盘MOSFET测量

 (NVMFS5C450N)

表18和19显示了带和不带散热片的高边和低边MOSFET (NVMFS5C450N) 的温度。散热片安装在MOSFET的顶面（塑料外壳）。

表18.  NVMFS5C450N-无散热片

NVMFS5C450N-无散热片 - Vin=12V，Vout=5V
输出电流	低边 MOSFET 温度	高边 MOSFET 温度
5.0A	46.3°C	50.2°C
10.0A	65.9°C	69.6°C
15.0A	86.3°C	88.4°C
20.0A	109.4°C	109.6°C

表19.  NVMFS5C450N-顶面有25mm散热片

NVMFS5C450N - 顶面有25mm散热片 - Vin=12V，Vout=5V
输出电流	低边 MOSFET 温度	高边 MOSFET 温度
5.0A	40.0°C	41.9°C
10.0A	47.9°C	50.8°C
15.0A	58.7°C	62.0°C
20.0A	69.5°C	73.0°C

图28.NVMFS5C450N-带和不带散热片的低边MOSFET温度

图29. NVMFS5C450N-带和不带散热片的高边MOSFET温度

图28和29显示了使用安装在MOSFET塑料顶面上的散热片改善低边和高边MOSFET的散热效果。

在5.0A负载电流下，低边MOSFET的温度比没有散热片时低约6°C，而高边MOSFET的温度低约8°C。而在20.0A负载电流下，低边MOSFET的温度比没有散热片时低约40°C，而高边MOSFET的温度低约37°C。

两项测量的热性能均在预期范围内，散热片可显著降低MOSFET温度。通常，由于栅极电荷较高，因此NVMFS5C450N的开关速度较慢，因此温度高于之前使用NVMFS5C460NL进行的测量结果。甚至导通电阻也略低。

顶面裸露焊盘MOSFET测量  (NVMJST3D3N04C)

表20和21显示了带和不带散热片的高边和低边MOSFET (NVMJST3D3N04C)的温度。散热片安装在MOSFET的顶面（裸露焊盘）。

表20.  NVMJST3D3N04C-无散热片

NVMJST3D3N04C-无散热片-Vin=12V，Vout=5V
输出电流	低边MOSFET温度	高边MOSFET温度
5.0A	45.2°C	47.1°C
10.0A	60.5°C	61.0°C
15.0A	82.7°C	78.4°C
20.0A	113.1°C	103.7°C

表21.  NVMJST3D3N04C-顶面有25mm散热片

NVMJST3D3N04C-顶面有25mm散热片-Vin=12V，Vout= 5V
输出电流	低边MOSFET温度	高边MOSFET温度
5.0A	37.6°C	37.1°C
10.0A	49.7°C	48.3°C
15.0A	61.3°C	57.0°C
20.0A	73.5°C	66.9°C

图30. NVMJST3D3N04C-带和不带散热片的低边MOSFET温度

图31.NVMJST3D3N04C-带和不带散热片的高边MOSFET温度

图30和31显示了使用安装在MOSFET顶面裸露焊盘上的散热片改善低边和高边MOSFET的散热效果。

在5.0A负载电流下，低边MOSFET的温度比没有散热片时低约8°C，而高边MOSFET的温度低约10°C。而在20.0A负载电流下，低边MOSFET的温度比没有散热片时低约40°C，而高边MOSFET的温度低约37°C。

此外，在此测量中，热性能符合预期。由于NVMJST3D3N04C和NVMFS5C450N使用相同的管芯，损耗和发热高于之前使用NVMFS5C460NL的测量值，这是由于更高的栅极充电器导致开关损耗更高。

底面和顶面裸露焊盘

之间的比较

图32比较了底面 (NVMFS5C450N) 和顶面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盘的低边MOSFET温度，顶面有散热片。

图32.NVMFS5C450N与NVMJST3D3N04C

-低边MOSFET温度（带散热片）

图33比较了底面 (NVMFS5C450N) 和顶面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盘的高边MOSFET温度，顶面有散热片。

图33.NVMFS5C450N与NVMJST3D3N04C

-高边MOSFET温度（带散热片）

通常，此特定PCB和设置的热性能非常相似，与是否使用带有底面或顶面裸露焊盘的MOSFET以及MOSFET封装顶面的散热片无关。对于低边MOSFET，底面裸露焊盘封装的性能略好于顶面裸露焊盘，对于高边MOSFET，反之亦然。

对于带有底面裸露焊盘的MOSFET，大量热量流入PCB，优化为有效的散热片。MOSFET顶面塑料表面上的散热片也有助于降低MOSFET温度。

顶面裸露焊盘的MOSFET在PCB和底面塑料表面之间的热耦合相对较差。但是，焊接到PCB上的引线也会让热量流入PCB。MOSFET顶面的裸露焊盘连接到散热片并有效地散发热量。

两种配置都通过MOSFET封装的底面和顶面进行散热。对于底面裸露封装，MOSFET和PCB之间的热阻比MOSFET和散热片之间的热阻更低。对于顶面裸露封装，反之亦然；MOSFET和散热片之间的热阻较低。这导致使用完全不同的配置可以实现相似的热性能，并且可以为两种类型的封装实施有效的散热。

结论

不同的测量结果和对比显示了连接到电源的散热片对MOSFET温度的影响。根据结果，可以得出以下结论对给定设置有效：

如果使用具有底面裸露焊盘的MOSFET，同时使用经过热优化的PCB进行导热和散热，则散热片无论是安装 PCB的底面还是MOSFET的顶面，MOSFET温度之间的差异仅为不到3°C。

MOSFET温度取决于散热片尺寸。

在20.0A负载电流下，与没有任何散热片的设置相比，使用60mm散热片的MOSFET温度大约低30°C。

与没有任何散热片的设置相比，使用25mm散热片时，MOSFET的温度大约降低15至20°C。

使用10mm散热片时，MOSFET的温度比没有任何散热片的设置低10°C。

该温度变化与三个散热片的热阻成正比。它还表明，如果使用热优化的PCB布局，散热片需要一定的质量和导热性才能显著降低温度。

25mm和60mm散热片在20.0A负载电流下的MOSFET温度差异为6°C，低于最初预期。

在不超过15.0A负载电流的情况下，25mm和60mm散热片之间的MOSFET温差相对较低，只有2°C左右。负载电流高于15.0A时，温差最大增加约6°C。

这表明需要择优选择散热片，以更好地兼顾成本和散热性能的改善。

具有顶面裸露焊盘和散热片的MOSFET可实现与底面裸露焊盘安装在经过热优化的PCB上且散热片位于封装顶面的MOSFET类似的热性能。如果要尽量减少流入PCB的热量，则带有顶面裸露焊盘的MOSFET是正确的选择，因为它们对安装在封装顶面的散热片具有最小的热阻。

所有测量都是一致的、可重复的，并且符合一般的理论预期。这证明电气和机械设置都运行正常且可靠。

当然，该测试装置与实际应用相去甚远，比如在带有散热片的定制铝外壳内部，电源属于复杂ECU的一部分。但是，它解释了不同参数的影响，例如散热片的热阻或间隙垫厚度对MOSFET温度的影响。它还清楚地表明，将散热片安装在热源顶面（本例中为MOSFET）或PCB的另一面（假设PCB布局经过热优化，所有层上都有散热孔和更大的铜面积，以允许散热流过PCB）可以达到类似的性能。

如果要尽量减少流入PCB的热量，则应使用顶面裸露焊盘连接到散热片的MOSFET。

审核编辑：汤梓红