高性能DCDC设计的关键之电源热设计(一)—热设计的重要性

我们现在开始我们的一个这个 topic

今天这一块我想主要就是跟大家介绍一下

就是 DC/DC 设计的东西很多

这里我主要给大家介绍一下就是我们的这个电源热设计

虽然说这是 DC/DC 的设计

但实际中我们在做 PCB 布板

或者是我们这些和供电的话上面都可以参考的

今天我会主要集中在五个方面

第一个方面就是我们热的相关的一些基础的知识

第二个方面就是说我们在使用过程中

如何去评估和测量这一结温 IC 的一个结温

所谓的结温就是我们的封装里面的硅片的温度

第三个就是说我们这个芯片是如何去散热的

它的散热通道在哪里

它的散热通道在哪里

第四个就是说我们的 PCB 是如何影响 IC 去散热的

比方说我的结温是 150℃

我实际上它的这个环境温度是 25℃

我的结温能工作到多少度

对你的功耗有什么关系

然后我的 PCB 布板上面要注意一些什么

不同的布板可能温差都有几十度差异

40℃、50℃ 差异都有的

然后最后就是一个简单的就是瞬间的这个电流的变化

对这个结温的一个影响

所以大家可以想

我们在做实际的这些应用中

可能我不知道这些现象大家有没有遇到过

就是你的电脑会着火

如果你使用不当或者它选型不当的话

或者是你这个板子都烧黑了

或者是 IC 就烧掉了一块

或者是直接就 Pin 脚就断掉了

这就是说其实我们要在设计过程中

我们要考虑的首先第一个就是

首先它这个你的产品不会对客户

对你的终端客户造成伤害

第二个就是说你要保证你的这个产品的性能

它要足够的好

那足够的好就是

首先 IC 是一个非常重要的

因为 IC 是一个随温度变化

各个参数随温度变化比较敏感的一个器件

所以在我们的每一个的产品规格书上面

都有推荐和使用范围，温度范围

第三个就是说你这个产品你可以使用五年

可以使用十年

为什么有的就是说我们的质量比较好

它可能十年它的性能可能变化都很少

有的产品它一年之后就就没用了

所以这就是可靠性

还有它整个生命周期

它的寿命有多长

其实我们在考虑到热的时候

并不是说我们的手摸了它

我有感觉到多烫

其实我们人手感知的这个温度是非常低的

其实对于我们 IC 来讲

我们更多的有很多时候

尤其是现在的一些智能的模块用的越来越多

它的功耗越来越大

它的发热量也越来越多

所以说很多时候 IC 的温度

或者说就是环境温度的一个越来越恶劣的话

它 IC 内部工作的温度就越来越高

这里我们做一个简单的测试

就是说我们把这个 IC 放在不同的四个温度条件下

然后分别作 12264 个小时的这个测试

这个测试都是基于一定的同样的条件

除了这个温度之外

就说大家可以看到

这个在 175℃、185℃、195℃、205℃

大家可以看到这个 IC 上有什么差异没有

在 175℃ 的地方

这里有一个小小的裂痕

可能在这个上面看的不是很清楚

电脑上会看得很清楚

185℃ 这个裂痕就会有一点点

到 195℃ 它就很很明显

这个 IC 已经受热很大了

这个封装已经受热很严重了

205℃ IC 可能你掰一下它就断了

所以说这个环境对 IC 的这个影响是非常敏感的

所以说我们在其实对 TI

我们每一个产品在出厂之前

我们都会做一个叫高温的

就是内部我们叫做一个 HTOL 的一个测试

这个 HTOL 它就是在高温或者高湿的

同时在高湿的环境下

然后让你这个 IC 工作

比方我这个 IC 这对 DC/DC 来打个比方

它是工作最高温度是推荐的电压是 28V

我一定会让它工作在 28V 的情况下

然后在非常高温的条件下

然后做这种 HTOL 测试

如果这个测试再做 30 天之后或者多少天之后

它出现了任何的这个工作的异常

这个 IC 是有问题的

我们是不会把这个产品面市的

我们会对内部的电路修改

我们讲到这里

就是说我们这个使用温度

就是使用环境对这个 IC

或者说你的这个产品使用寿命的一个测试

这里的数据大家可以作为参考

如果正常情况下我们环境温度是 25℃ 或者是 30℃

再加上你这个内部的一个功耗

它 IC 可能工作温度是 55℃ 左右

正常情况下它至少九年是没有问题的

就是说九年

如果 55℃ 的话它是工作九年

如果你要工作 85℃ 的情况下

这个温升大家看是 30℃

它可能只有一年

当然我这个九年是说你中间不做任何间断一直工作

IC 一直上电

你的设备一直工作

如果 85℃ 的工作一年

如果是 125℃

它就是一千个小时

150℃ 300 个小时

这里我们刚才就说了

你在评估这个时候

比方我以 85℃ 做一个举例

85℃ 的话我们只工作了一年

但是如果你每天有 12 个小时是空着的

另外 12 个小时是工作的

其实它的真正的这个使用寿命是大于两年的

所以不能简单的这个乘以二来计算

我们现在开始我们的一个这个 topic

今天这一块我想主要就是跟大家介绍一下

就是 DC/DC 设计的东西很多

这里我主要给大家介绍一下就是我们的这个电源热设计

虽然说这是 DC/DC 的设计

但实际中我们在做 PCB 布板

或者是我们这些和供电的话上面都可以参考的

今天我会主要集中在五个方面

第一个方面就是我们热的相关的一些基础的知识

第二个方面就是说我们在使用过程中

如何去评估和测量这一结温 IC 的一个结温

所谓的结温就是我们的封装里面的硅片的温度

第三个就是说我们这个芯片是如何去散热的

它的散热通道在哪里

它的散热通道在哪里

第四个就是说我们的 PCB 是如何影响 IC 去散热的

比方说我的结温是 150℃

我实际上它的这个环境温度是 25℃

我的结温能工作到多少度

对你的功耗有什么关系

然后我的 PCB 布板上面要注意一些什么

不同的布板可能温差都有几十度差异

40℃、50℃ 差异都有的

然后最后就是一个简单的就是瞬间的这个电流的变化

对这个结温的一个影响

所以大家可以想

我们在做实际的这些应用中

可能我不知道这些现象大家有没有遇到过

就是你的电脑会着火

如果你使用不当或者它选型不当的话

或者是你这个板子都烧黑了

或者是 IC 就烧掉了一块

或者是直接就 Pin 脚就断掉了

这就是说其实我们要在设计过程中

我们要考虑的首先第一个就是

首先它这个你的产品不会对客户

对你的终端客户造成伤害

第二个就是说你要保证你的这个产品的性能

它要足够的好

那足够的好就是

首先 IC 是一个非常重要的

因为 IC 是一个随温度变化

各个参数随温度变化比较敏感的一个器件

所以在我们的每一个的产品规格书上面

都有推荐和使用范围，温度范围

第三个就是说你这个产品你可以使用五年

可以使用十年

为什么有的就是说我们的质量比较好

它可能十年它的性能可能变化都很少

有的产品它一年之后就就没用了

所以这就是可靠性

还有它整个生命周期

它的寿命有多长

其实我们在考虑到热的时候

并不是说我们的手摸了它

我有感觉到多烫

其实我们人手感知的这个温度是非常低的

其实对于我们 IC 来讲

我们更多的有很多时候

尤其是现在的一些智能的模块用的越来越多

它的功耗越来越大

它的发热量也越来越多

所以说很多时候 IC 的温度

或者说就是环境温度的一个越来越恶劣的话

它 IC 内部工作的温度就越来越高

这里我们做一个简单的测试

就是说我们把这个 IC 放在不同的四个温度条件下

然后分别作 12264 个小时的这个测试

这个测试都是基于一定的同样的条件

除了这个温度之外

就说大家可以看到

这个在 175℃、185℃、195℃、205℃

大家可以看到这个 IC 上有什么差异没有

在 175℃ 的地方

这里有一个小小的裂痕

可能在这个上面看的不是很清楚

电脑上会看得很清楚

185℃ 这个裂痕就会有一点点

到 195℃ 它就很很明显

这个 IC 已经受热很大了

这个封装已经受热很严重了

205℃ IC 可能你掰一下它就断了

所以说这个环境对 IC 的这个影响是非常敏感的

所以说我们在其实对 TI

我们每一个产品在出厂之前

我们都会做一个叫高温的

就是内部我们叫做一个 HTOL 的一个测试

这个 HTOL 它就是在高温或者高湿的

同时在高湿的环境下

然后让你这个 IC 工作

比方我这个 IC 这对 DC/DC 来打个比方

它是工作最高温度是推荐的电压是 28V

我一定会让它工作在 28V 的情况下

然后在非常高温的条件下

然后做这种 HTOL 测试

如果这个测试再做 30 天之后或者多少天之后

它出现了任何的这个工作的异常

这个 IC 是有问题的

我们是不会把这个产品面市的

我们会对内部的电路修改

我们讲到这里

就是说我们这个使用温度

就是使用环境对这个 IC

或者说你的这个产品使用寿命的一个测试

这里的数据大家可以作为参考

如果正常情况下我们环境温度是 25℃ 或者是 30℃

再加上你这个内部的一个功耗

它 IC 可能工作温度是 55℃ 左右

正常情况下它至少九年是没有问题的

就是说九年

如果 55℃ 的话它是工作九年

如果你要工作 85℃ 的情况下

这个温升大家看是 30℃

它可能只有一年

当然我这个九年是说你中间不做任何间断一直工作

IC 一直上电

你的设备一直工作

如果 85℃ 的工作一年

如果是 125℃

它就是一千个小时

150℃ 300 个小时

这里我们刚才就说了

你在评估这个时候

比方我以 85℃ 做一个举例

85℃ 的话我们只工作了一年

但是如果你每天有 12 个小时是空着的

另外 12 个小时是工作的

其实它的真正的这个使用寿命是大于两年的

所以不能简单的这个乘以二来计算