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瞭解熱阻在系統層級的影響
 

【作者: David Toro】   2021年09月16日 星期四

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在電阻方面,電流流動的原理可以比作熱從熱物體流向冷物體時遇到的阻力。每種材料及其介面都有一個熱阻,可以用這些數字來計算從源頭帶走熱的速率。在整合式裝置中,半導體接面是產生熱的來源,允許接面超過其最大操作溫度將導致嚴重故障。整合式裝置製造商雖使用一些技術來設計保護措施,以避免發生過熱關機等情況,但不可避免的是仍會造成損壞。


採取一個更好的解決方案,就是在設計上選擇抑制(或至少限制)會造成接面溫度超過其操作最大值的情況。由於無法直接強制冷卻接面溫度,透過傳導來進行散熱是確保不會超過溫度的唯一方法,工程師需要在這些限制範圍內進行設計,以達到最高設計效率。


在計算接面散熱速度之際,需要瞭解熱的流經路徑與沿途會遇到的所有阻力。圖一顯示熱從接面流向環境空氣時的路徑,總熱阻必須包括該路徑上每種材料的熱阻,這突顯出裝置製造商常使用的兩個數字之間的重要差異:從接面到外殼的熱阻(RθJC),以及從接面到環境空氣的熱阻(RθJA)。如圖一所示,RθJA的數字將包括RθJC的數字。就算它不在裝置製造商的控制範圍內,在測試條件中顯示出裝置的這項特徵,將提供環境熱阻數字,藉以指導工程師如何使用其裝置。



圖一 : 熱阻包含從接面到環境的多個階段(source:Diodes)
圖一 : 熱阻包含從接面到環境的多個階段(source:Diodes)

測量功耗,以當成接面溫度函數

必須瞭解熱阻及其對裝置所帶來的影響有兩個原因。首先,如前所述,必須將半導體的接面溫度維持在一定程度以下,才不會造成故障。大多數晶片製程的半導體接面溫度通常是 150度。


第二,有密切相關的是接面溫度與功率量,或者更簡單地說,半導體裝置在維持低於其絕對最大接面溫度的情況下,與可以進行的功率成正比。每次切換 MOSFET 時,它都會產生損耗,這便會產生熱。高頻率地進行切換,生熱的速度將快於散熱的速度,這便造成總接面溫度升高。以下公式 1 為計算與溫度有關的功耗公式。


PowerDissipated=TJ(max)- Tambient/Rθ (1)


此公式適用於任何用於熱阻Rθ的參考值。使用從接面到外殼的熱阻所計算出的功耗值,自然與使用從接面到環境的熱阻所計算出的功耗值大不相同。


按照流經裝置接面的電流及接面的電阻,也能計算出某一特定產品應用的裝置功耗值。若也已知熱阻和最大接面溫度(取自資料表),在經過簡單的換算後,就能得到允許的最大環境溫度值,指出是否應強制使用氣冷方式對該產品應用進行降溫。


來自外殼或環境的熱阻?

製造商沒有統一引用熱阻的方式,可能會造成錯誤。如前所述,經常使用的數字是RθJC,它沒有考慮到外殼和環境之間的熱阻。這低估了裝置外殼與系統其餘部分之間介面的重要性。


就功率 MOSFET 的散熱而言,該裝置的封裝很可能在底部有一個大焊墊,內部連接到電晶體的汲極。這將是熱通往裝置接面的主要路徑,因此大部分在裝置接面處產生的熱會流經裝置,並且在這一點排出。這個焊墊會焊接到 PCB 上。PCB 焊墊的大小和形狀、層數和軌道分布,都會影響到熱透過 PCB 散佈到環境中的速度。比起裝置內部的熱阻路徑,設計影響這個數字的程度更高,熱計算中的主要數字是外殼和環境之間的電阻。


散熱器在熱管理和接面溫度中的重要性

這突顯出散熱器在電源產品應用中的重要性。加入更多的銅層或加大銅層的尺寸或厚度,將會影響到環境熱阻的數字。減少熱阻的一個簡單方法,是在功率裝置下面加入或加大接地平面。另一個比較花錢的辦法是加入外部散熱器。


在考量電源產品應用的熱管理要求時,很容易只有按照資料表上的熱阻數字來假設這些要求。在此用兩個功率電晶體之間的比較範例,說明這可能會產生誤導。兩個裝置在 VDS、ID及RDS(ON)方面都有類似的參數。兩者卻使用不同的封裝,一個的外殼熱阻RθJC為1.0度/W,另一個則為0.5度/W。


根據提供的數字,乍看之下,將熱阻數字較低的裝置用在更高環境溫度中的可能性會高出 50%。結果就是出現使用外部散熱器或簡單加入一個較大的接地平面這樣的差異。顯然,從物料清單和製造作業來看,較大的接地平面將是成本較低的選擇。不過,在圖二中顯示了兩個裝置的實際環境熱阻,在相同的測試條件下,使用從30mm2到超過300mm2的銅焊墊進行測量,實際差異可以略過不計。



圖二 : 兩個可比較裝置的 RθJA之間的實際差異,其 RθJC值顯著不同,如同其資料表中所述
圖二 : 兩個可比較裝置的 RθJA之間的實際差異,其 RθJC值顯著不同,如同其資料表中所述

各款的熱阻數字顯然不同。圖三顯示Diodes公司MOSFET各裝置不同銅焊墊面積的熱阻。這三條線都描繪出相似的趨勢,儘管它們的接面到外殼的熱阻明顯不同,這表示在定義從接面到環境的熱阻,PCB 成為主要因素。



圖三 : Diodes三款功率 MOSFET的熱阻
圖三 : Diodes三款功率 MOSFET的熱阻

為了滿足客戶渴望開發小巧型及功率密集型產品應用的需求,越來越多製造商將更小的表面黏著封裝技術用於功率 MOSFET,這為設計人員帶來更大的壓力,無法自由設計產品。因此,在開發採用表面黏著封裝技術的功率 MOSFET 產品時,必須確定熱阻,它們在採取額外的熱管理措施(如散熱器或風扇)方面往往有所限制。


掌握從接面到環境的熱阻路徑,以及瞭解 PCB 在管理熱分佈方面所扮演的重要角色,工程師便能夠按照實際要求決定設計內容,而非以人工方式限制功耗。


結論

妥善處理功率電晶體等裝置所產生的熱,是整體設計工作中重要的一環。簡單利用製造商提供的熱阻數字,說明裝置在故障前可以做為熱量散失的能量。我們必須瞭解,真正的效能有更大一部分取決於在 PCB 層級所採取的措施,而非資料表中接面到外殼的數字。


(本文作者David Toro任職於 Diodes 公司)


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