PCB热设计概述

电子

　　4.1 介绍
　　4.1.1 对热分析的需求
　　功率MOSFETs在现代电子电路设计中是常见的，在那里它们经常被用于开关许多不同类型的负载——根据应用不同，从几个毫安或更少到几十个安培。功率MOSFETs的流行几乎可以肯定是由于他们比对应功率的IGBT容易，以及广泛的封装，电压和RDS（on）组合，且易于可得到。
　　当然，MOSFET不是完美的开关，也不是坚不可摧的，在设计一个使用MOSFET器件的系统时，电路设计人员应该注意以下的热因素：
　　l 即使完全打开，MOSFET也会因为I2.R而耗散功率。（RDS（on）为器件导通电阻）
　　l I2.RDS（on）损失将导致器件和其他地方的温度上升
　　l MOSFETs可能被过度的器件温度损坏或破坏
　　在使用功率MOSFETs进行设计时，热方面是一个重要的问题，特别是在可能在高环境温度下工作的应用中，因为如果运行要保持在规范内，MOSFET结温度（Tj）必须保持在175℃以下。同样重要的是要记住，表面安装mosfet焊接的PCB也会有最大的工作温度120℃。mosfet将使用PCB作为他们的主要散热方法，其耗散的热能也会导致PCB温度上升。因此，必须注意PCB温度也保持在可接受的范围内。
　　4.1.2 MOSFET的Rth参数及其局限性
　　为了对器件的热性能进行一些测量，采用“热阻”数值是MOSFET数据表的常规工业做法。“热阻”的概念类似于电阻的概念，在许多关于热管理的文献中都有描述。
　　数据表中最常见的两个MOSFET热阻值为：
　　Rth（j-a）：从器件结（晶元）到环境的热阻。这是一个单一的热阻值，是所有可能的级数和从结到环境的平行路径的有效值。通常，这将包括直接从器件包表面的热损失路径，以及通过器件焊接到的PCB。
　　Rth（j-mb）从接头到安装基座的耐热性。“安装基座”定义为器件通常焊接到PCB上的点，主要是传导路径。
　　在JESD51-x系列标准中描述了应该测量器件热阻数字的方法和条件，正如人们可能期望的那样，这些标准在描述应该如何进行测试时非常精确。因此，可以预期，对于希望对系统进行热分析的设计者来说，热阻数字将足够。不幸的是，情况并非如此，原因如下：
　　Rth（ja）数字高度依赖于PCB的构造和布局以及PCB在JESD51标准中定义的通常不代表那些在实际应用中发现的。
　　lMOSFET制造商为他们的Rth（ja）数据表指定的PCB几乎从来都不遵循JEDEC的指导方针，通常只在最模糊的术语中描述，并且在制造商与制造商之间是不一致的
　　lRth（ja）测试方法不允许在同一PCB上近距离安装多个器件（现实应用场景中的典型安排）
　　热阻Rth（j-mb）只是连接到周围环境的总热通道的一部分。
　　显然，公布的热阻数字Rth（j-mb）和Rth（j-a）在实际电路和系统的热分析中没有什么实际用途。公布的Rth数据从未打算用于设计或系统分析，正如本文所述规范JESD51-2表示：“……本文件的目的是概述为确保自然对流中标准结对环境（ja）热阻测量的准确性和重复性所必需的环境条件。（Rth（ja）测量的目的是仅用于在标准化环境中对一个封装与另一个封装的热性能进行比较。这种方法不打算也不会预测封装在特定于应用场景的环境中的性能。
　　遗憾的是，尽管JEDEC给出了明确的声明，我们仍然看到许多设计师试图在热设计和分析实践中使用数据表Rth数据。
　　4.1.3 目的
　　确定了数据表Rth数据不适合对真实条件中的应用进行热分析之后，人们自然会问：还有什么可选的呢？不幸的是，没有一种简单的热分析方法适用于复杂的情况，同时提供了合理的精确度。涉及的传热机制太复杂，有太多的相互作用的热传导途径，使得简单而有效的分析方法难以实现。一般来说，这种分析只能由以下两种方式进行：
　　•在模拟中使用基于计算机的模拟；或
　　•在真实条件中构建场景并进行实验评估
　　前一种方法可以产生精确、快速的结果，代价是昂贵的软件和运行它所需的必要技能，而后一种方法会带来与构建和度量一个代表性模型相关的时间和成本。
　　我们认识到第三种方法也可能是有用的，特别是在PCB设计的早期阶段，它弥合在不太有用的Rth数字极端和完全原型模拟极端的鸿沟。这一章将概括地说明术语，可应用于典型PCB设计的不同技术，以引导布局者朝着具有最佳热性能的方向发展。将考虑的因素包括：
　　•PCB层层叠
　　•常见电路拓扑结构对PCB布局的影响
　　•PCB铜面积
　　•热散热过孔的影响
　　•器件位置和间距
　　•多个功率器件在一个PCB上的影响
　　不指望本文讨论器件放置、层叠等各种可能的组合。相反，本文的目的是为工程师提供基本的指导，当设计者面对全新的设计任务，缺乏有用的信息，可能会问自己;“我怎么能保证我的器件在安全的温度下运行呢？”最后，毫无疑问，本设计指南中包含的信息仅作为起点。当然，任何新设计在投入生产之前都应该先进行原型设计，并对其热行为进行表征化。
　　4.2 热分析的通用方法。
　　4.2.1 热模拟软件的使用
　　为了能够快速、灵活地分析多参数变化，本文的热分析是利用热模拟软件进行的。这些模拟使用了MOSFET模型，这些模型已经根据经验数据进行了验证，并且已知能够精确地模拟真实器件的热行为。
　　用于进行分析的热模拟软件是Mentor Graphics（Flomerics）“Flotherm”软件包。
　　4.2.2 模拟设置
　　所考虑的PCB具有以下一般特征：
　　•它们是表面安装设计和MOSFETs在表面安装LFPAK封装
　　•PCB叠层的范围从1到4层，但总厚度为1.6mm。
　　•PCB材料为标准FR4，额定最高工作温度为120℃。
　　•在所有层铜厚度是1盎司/ft2（35µm）
　　•PCB悬浮在空气中的其他重要其它重要因素：
　　•环境温度为20℃
　　•模拟解决热传导、对流和辐射传热问题
　　•MOSFET的功耗为0.5W/台
　　•不采用强制空气冷却，即只自然对流进行建模
　　4.2.3 PCB布局和层叠
　　4.2.3.1 影响PCB布局和叠层的因素
　　在设计PCB时，我们不能自由的选择来放置MOSFET器件和其他组件以及如何将它们连接在一起。通常，器件的放置和连接是协调各种（通常是相互冲突的）需求的问题。影响元件放置的因素可能包括：
　　•电路拓扑结构
　　•电磁兼容性设计（EMC）
　　•热力性能设计
　　•将某些组件（如连接器）置于预先定义的位置的必要性
　　•需要在特定区域提供低电阻和低电感的电流路径
　　如果我们从热的角度考虑PCB设计，那么实际的热设计可能必须在某些方面有所妥协，以适应对设计的其他要求。
　　4.2.3.2 电路拓扑
　　电路拓扑可能是所有影响PCB设计的因素中最不灵活的。毕竟，如果组件没有以合适的方式连接在一起，那么电路就不会像预期的那样运行。该拓扑还将规定哪些MOSFET端子可以连接到铜平面，因此可以使用这些平面来帮助散热。
　　对于像LFPAK这样的表面安装封装来说，这一点尤为重要，在这种情况下，从封装中流出的主要热通道是通过器件下方的器件漏极片。因此，电路的拓扑结构对热设计和相应的器件运行温度有很大的影响。
　　本指南将考虑几种不同的拓扑，并且相信这些拓扑将与大量典型的最终用户应用场景相关。
　　4.2.3.3 电磁兼容性设计（EMC）
　　电磁兼容性设计是一个复杂的课题，它远远超出了本文的范围。然而，EMC设计的一个简单方面与热设计密切相关——在PCB中提供接地层。
　　从EMC的角度来看，多层PCB至少应该有一层铜层，这一层铜层只能作为接地平面层使用，并且有最少的空穴和缺口。这一要求并不与良好的热设计相冲突——事实上，在PCB叠层中存在连续的铜层能提高整个板的热性能。在所有的分析中，将考虑包含专用地平面的PCB布局。

原作者：booksoser 汽车电子工程知识体系

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