電源系統的熱設計技術

　　我們設計的 DC-DC 電源一般包含電容、電感、肖特基、電阻、芯片等元器件；電源產品的轉換效率不可能做到百分百，必定會有損耗，這些損耗會以溫升的形式呈現在我們面前，電源系統會因熱設計不良而造成壽命加速衰減。所以熱設計是系統可靠性設計環節中尤為重要的一面。但是熱設計也是十分困難的事情，涉及到的因素太多，比如電路板的尺寸和是否有空氣流動。

　　我們在查看 IC 產品規格書時，經常會看到 RJA、TJ、TSTG、TLEAD等名詞；首先 RJA是指芯片熱阻，即每損耗 1W 時對應的芯片結點溫升，TJ是指芯片的結溫，TSTG是指芯片的存儲溫度范圍，TLEAD是指芯片的加工溫度。

　　術語解釋

　　首先了解一下與溫度有關的術語：TJ、TA、TC、TT。由“圖 1”可以看出，TJ是指芯片內部的結點溫度，TA是指芯片所處的環境溫度，TC是指芯片背部焊盤或者是底部外殼溫度，TT是指芯片的表面溫度。數據表中常見的表征熱性能的參數是熱阻 RJA，RJA定義為芯片的結點到周圍環境的熱阻。其中 TJ = TA +（RJA *PD）

　　對于芯片所產生的熱量，主要有兩條散熱路徑。第一條路徑是從芯片的結點到芯片頂部塑封體（RJT），通過對流/輻射（RTA） 到周圍空氣；第二條路徑是從芯片的結點到背部焊盤（RJC），通過對流/輻射（RCA）傳導至 PCB 板表面和周圍空氣。對于沒有散熱焊盤的芯片，RJC是指結點到塑封體頂部的熱阻；因為 RJC代表從芯片內的結點到外界的最低熱阻路徑。

　　設計實例： 某直流降壓方案，輸出 5V，電流 1A，轉換效率η為 90%，環境溫度 TA為 50℃。使用的電容額定溫度 100℃，且跟芯片靠的很近，要求芯片 TJ 溫度控制在 90℃。

　　首先系統的損耗 PD=VOUT*IOUT*（1/η-1）=5*1*（1/0.9-1）=0.56W 。

　　假定所有損耗都算在芯片上，可以計算出熱阻 RJA≤（90℃-50℃）/0.56≤71.4℃/W。

　　1.PCB 板尺寸

　　選用芯片的熱阻要低于 71.4℃/W，選用 SOP8-EP 芯片，其 RJA為 60℃/W，仍需要設計一個 PCB 板或散熱片來把熱量從塑封體傳到周圍空氣。在只有自然對流（即沒有空氣流動）及沒有散熱片的情況下，一個兩面都覆銅的電路板上，根據經驗法則需要的電路板面積可用如下方程估算得到：

　　4.散熱片

　　散熱片可以有效的降低芯片的溫度，但是散熱片的位置也很重要。對于貼片元器件，散熱片可以直接放置在芯片塑封體頂部，如 “圖 2”所示，但是由于芯片塑封體的熱阻較大，且散熱片與其接觸不良，會降低散熱片的性能。也可以將散熱片與芯片背部的過孔相連，提高散熱片的性能。

　　5.風冷

　　在產品空間范圍比較大，且不是密封的環境內，可以通過小功率的風扇產生氣流，這樣可以顯著降低系統整體的熱阻。

　　6.灌膠

　　對于要求防水、防塵、防震動的產品，可以通過在密封的模具中灌入導熱硅脂，使電源系統元器件通過導熱硅脂將熱量傳遞到外殼，進而將熱量散出去。