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1、贴片式功率器件的散热计算 Heat Dispersion Calculation of Surface Mounted Power Device 北京航空航天大学 方佩敏 自上世纪 90年代开始，贴片式封装器件逐步替代了穿 孔式封装器件。近年来，除少数大功率器件还采用穿孔式封装外，极大部分器件都采用贴片式（SMD）封装。由于贴片式功率器件封装尺寸小，不能采用加散热片的方法来散热，只能用印制板的敷铜层作为散热（一定的面积）。因此在贴片式功率器件的应用中需要在印制板（PCB）布局前，考虑所需的敷铜层散热面积。 本文介绍 Micrel公司推荐的一种简单计算方法，它可以根据选定的功率器件和使用的条件进
2、行计算，并用查图表的方式得出所需的散热敷铜层的面积。由于实际情况较复杂，会影响到计算的正确性，比如使用印制板的厚度尺寸不同、敷铜层的厚度尺寸不同、印制板走线的宽度不同及机壳的容积大小和有无散热孔等，所以这种计算是一种粗略的估算。计算过程中，可以发现设定的使用条件是否合理，选择器件的封装尺寸大小是否能满足散热的需求。 两种过热保护 功率器件在工作过程中会产生热量使管芯的温度升高，在最大的功率输出时产生的热量最大，使管芯的温度升得最高。如果散热条件不佳，则管芯的结温超过 150时，使器件损坏（一般称为“烧掉”）。如果散热条件良好，但使用过程中出现故障（如负载发生局部短路、线性稳压电源发生调整管短路
3、等），则输出功率超过最大允许输出功率，会使功率器件损坏。功率器件设计者设计了两种过热保护措施：自动热调节和过热关闭保护，提高了器件的安全性及可靠性。 用户在设计 PCB散热面积时，要保证在正常最大输出功率时不出现自动热调节（自动减小输出功率）和热关闭（无输出）现象。只有在出现故障时才出现过热保护。 散热与热阻 功率器件在工作时，管芯的热量通过封装材料传导到管壳、经管壳传到敷铜板散热面，再由散热面传到环境空气中。这种热的传导过程中会有一定的热阻，如管芯传到管壳的热阻 JC ，管壳传到敷铜板的热阻 CS ，敷铜板散热面传到环境控制的热阻 SA ，这种热的传导（热的流向）如图 1所示，图中管芯的温度
4、结温为 T J 、环境空气的温度为 T A 。温度由高的流向低的，从管芯到环境空气总的热阻 JA 与热传导过程的各热阻的关系为： JA = JC + CS + SA （1） 图 1(略 ) 各种热阻的单位是/W。热阻大，散热差。 各种不同的封装，如 SOT23-3、SOT223-3 和 SOT89-3等都有一定的封装尺寸及不同封装结构，其 JC 都不同。同样封装及引脚数时，不同功能的器件，其 JC 是基本相同的（同样封装中因管芯尺寸不同， JC 略有差别）。管壳与敷铜板的接触情况不同：管壳与敷铜板紧贴着（如 SOT23-3、SOIC-8），另有一些封装在器件底面有金 属散热垫（如 SOT89、
5、DPAK3 和 DFN封装），它直接与敷铜板焊在一起，利于散热。两种情况下 CS 不同，管壳不与敷铜板焊接的，根据接触情况不同，其 CS =0.52/W；管壳与敷铜板焊接的 CS =0。 热阻 SA 与散热的敷铜层面积、单面散热或双面散热及敷铜板的铜层厚度有关，另外与有无通风条件有关。 热阻 JA 的计算公式 热阻 JA 与最大允许的结温 T J 、环境空气的温度 T A 及最大的功耗 P_D_max的关系式为： _JA=fracT_j-T_AP_D_max （/W） (2) 例 如，最大允许结温为 125，在环境温度 50条件下工作，最大功 耗为 1.5W，代入上式可得 JA =50/W。
6、计算表明：最大功耗为 1.5W时，在 50的环境温度下工作，要使结温不超过 125，其热阻 JA 要50/W。 热 SA 及单层敷铜板面积 Micrel公司给出了 SA 与所需的单层敷铜板、水平放置、铜层上有镀层的敷铜层的面积（以mm 2 为单位）特性图，如图 2所示，实线的曲线是无风冷（自然冷却）的特性，虚线是有1.3m/sec风速气流风冷的特性。 图 2 PCB散热面积 (mm2)(略 )例如，已计算出 SA =25/W 时，若是自然冷却，可按图 2实线找出其所需的面积为 3500mm 2 （约 59mm59mm）；若 SA =30/W，则所需面积为 2500mm 2 （50mm50mm）
7、；若 SA =30/W，有 1.3m/sec的气流冷却，则其面积仅需 1000mm 2 （31.6mm31.6mm）。 从公式（1）及公式（2）可知， SA 可用下式表达 （略） (3) 在选定功率器件的封装后，可以找到该封装的 JC 值，并可以确定其 CS 值。在器件资料中可找到最大允许结温 T J 。根 据设计中提出使用器件的条件，如输入电压 V IN 、输出电压V OUT 及输出电流 I OU T 等参数及使用的环境温度 T A ，可计算出 P Dmax 。则公式（3）的 SA 值可求得，相应的敷铜板面积也可以求 出。下面将举一些例子说明计算的步骤。 计算实例 TO-263封装 设计一线
8、性稳压器。已知的条件：V OUT =5.0V，V IN（max） =9.0V，V IN（min） =5.6V，I OUT =700mA，工作环境温度最高 50。 选择 MIC2937A-5.0BU低压差线性稳压器，其主要参数：V IN 范围可达 26V，输出电流 I OUT 可达 750mA，地电流 I GND =15mA，输出电压精度 5.0V2%，最高结温 T J =125，3 引脚TO- 263封装（其 JC =3/W）。其参数能满足要求。 散热计算：1）最大输出功率计算 公式 (略 )2）要求的热阻 JA 计算 _JA=fracT_J-T_AP_Dmax= （125-50）/3W=25
9、/W 3） SA 的计算 SA = JA ?（ JC + CS ）因为 TO-263的散热垫直接焊在敷铜板上，所以 CS =0，则 SA = JA ? JC =25/W ? 3/W=22/W 4 ）按图 2的实线曲线图（无风冷）找出要求的敷铜层的面积为 5000mm 2 ，可取 71mm71mm的散热面积。 两种封装的选择 要满足已知条件：V OUT =5.0V、V IN（max） =14V、V IN（min） = 5.6V、 I OUT =150mA、T A（max） =50的线性稳压器的型号是 MIC5201-5.0BS，它有两种封装：SO-8 及 SOT-223。选择哪一种封装可按散热计
10、算后确定。 采用 SO-8的计算：根据 MIC5201-5.0BS资料可知：最大结温 T J =125，SO-8 封装的 JC =100/W，I GND =8mA 1）P Dmax 计算： P Dmax =（14V ? 5V）0.15A+（14V0.08A）=1.46W 2） JA 计算： JA =（125 ? 50）/1.46W=51.3/W 3） SA 计算： SA =51.3/W ? 100/W= ? 48.7/W 计算得 SA 是负数，说明不能满足散热要求，即 SO-8封装的 MIC5201-5.0BS不能用。 采用 SOT-223的计算：SOT-223的 JC =15/W，它的背面金
11、属散热垫直接焊在敷铜板上，所以 CS =0，并且该封装的 I GND =1.5mA。1）P Dmax 计算 P Dmax =（14V?4.9V）0.15A+（14V15mA）=1.4W 2） JA =（125?50）/1.4W=54/W 3） SA =54/W?15/W=39/W 可从图 2中找出敷铜层面积为 1400mm 2 。 CN5611大功率 LED驱动器的散热计算 CN5611是一种大功率 LED驱动器。其工作电压范围 2.7V6V，输出恒流驱动电流可设定，最大电流可达 1.2A；输出电流精度8%；最高结温 125（超过 125有热关断保护），5 引脚SOT89封装， JC =10/
12、W，其典型应用电路如图 3所示。图中 R ISET 是驱动电流设定电阻，内部的 N-MOSFET是控制驱动电流的功率器件，这里作其散热计算（确定所需的敷铜层散热面积）。已知条件：电源电压 V DD =5V0.2V、驱动的白光 LED的电流为 700mA，其正向压降 V F 范围为 3.2V3.8V，最大环境温度 50。图 3(略 ) 1）P Dmax 计算（由图 3可知）： P Dmax =（V DDmax ?V Fmin ）I LEDmax =（5.2V?3.2V）750mA=1.5W2） JA 计算： JA =（125?50）/1.5W=50/W。 3） SA 计算： SA = JA ?（
13、 JC + CS ） 因为 SOT89的底面散热垫直接焊在敷铜板上，其 CS =0，故 SA = JA ? JC =50/W?10/W=40/W。 根据图 2查得敷铜层面积为 1600mm 2 （可采用 40mm40mm面积作散热用）。 以上的散热面积是单面敷铜板，若采用双面敷铜板散热，其面积可乘以 0.60.7计算。例如上例中计算面积为 1600mm 2 ，若采用双面敷铜板散热，并钻较多金属化孔（使上下敷铜层金属相连接），增加上下层空气流动，则上下层面积和为 9601120mm 2 （与印制板厚度有关）。 不同封装的 JC 值 在功率器件资料中有的给出 JC 值， 但有的给出 J A值或给出
14、器件的最大功耗值（某一温度下的值）。这里收集了一些不同封装的 JC 值供参考。要说明的是，同一种封装其引脚数有不同，则 JC 也有一些差别；另外，虽然封装相同，但管芯尺寸不同，其 JC 也有差 别，这种差别在估算中影响不大，不同封装的 JC 如表 1所示。 从表 1也可以看出：封装的底面有金属散热垫的器件其 JC 较小。 表 1：（略）结束语 不同的半导体器件厂给出的贴片式功率器件的散热计算方法大致相同，例如 Linear Technology公司的计算方法差别仅仅是给出了不同的双面散热面积的 JA 值，最后计算出的T J要满足小于最大允许结温值。 由于 JC 值可能有一些差值，还加上机壳的结构、容积及油污通气孔等差别，所以是一种估算，最后还要做实验来修正。
