4.1介紹

4.1.1對熱分析的需求

功率MOSFETs在現(xiàn)代電子電路設計中是常見的，在那里它們經(jīng)常被用于開關(guān)許多不同類型的負載——根據(jù)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(guān)，也不是堅不可摧的，在設計一個使用MOSFET器件的系統(tǒng)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(huán)境溫度下工作的應用中，因為如果運行要保持在規(guī)范內(nèi)，MOSFET結(jié)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(nèi)。

4.1.2MOSFET的Rth參數(shù)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(shù)值是MOSFET數(shù)據(jù)表的常規(guī)工業(yè)做法。“熱阻”的概念類似于電阻的概念，在許多關(guān)于熱管理的文獻中都有描述。

數(shù)據(jù)表中最常見的兩個MOSFET熱阻值為:

Rth(j-a)：從器件結(jié)(晶元)到環(huán)境的熱阻。這是一個單一的熱阻值，是所有可能的級數(shù)和從結(jié)到環(huán)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(shù)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(tǒng)進行熱分析的設計者來說，熱阻數(shù)字將足夠。不幸的是，情況并非如此，原因如下:

Rth(ja)數(shù)字高度依賴于PCB的構(gòu)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(fā)現(xiàn)的。

lMOSFET制造商為他們的Rth(ja)數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)實應用場景中的典型安排)

熱阻Rth(j-mb)只是連接到周圍環(huán)境的總熱通道的一部分。

顯然，公布的熱阻數(shù)字Rth(j-mb)和Rth(j-a)在實際電路和系統(tǒng)的熱分析中沒有什么實際用途。公布的Rth數(shù)據(jù)從未打算用于設計或系統(tǒng)分析，正如本文所述規(guī)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(jié)對環(huán)境(ja)熱阻測量的準確性和重復性所必需的環(huán)境條件。(Rth(ja)測量的目的是僅用于在標準化環(huán)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(huán)境中的性能。

遺憾的是，盡管JEDEC給出了明確的聲明，我們?nèi)匀豢吹皆S多設計師試圖在熱設計和分析實踐中使用數(shù)據(jù)表Rth數(shù)據(jù)。

4.1.3目的

確定了數(shù)據(jù)表Rth數(shù)據(jù)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(xiàn)。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(gòu)建場景并進行實驗評估

前一種方法可以產(chǎn)生精確、快速的結(jié)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(gòu)建和度量一個代表性模型相關(guān)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(shù)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(shù)語，可應用于典型PCB設計的不同技術(shù)，以引導布局者朝著具有最佳熱性能的方向發(fā)展。將考慮的因素包括:

?PCB層層疊

?常見電路拓撲結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shù)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(jīng)根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(wǎng)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(huán)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(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)

?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(qū)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(xié)，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(guī)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(jié)構(gòu)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(guān)。

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(guān)——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(xù)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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