高性能DCDC设计的关键之电源热设计(二)—热设计的原则和参数介绍

这部分就是说

说到这个热散的话

其实热整体我们可以分为三部分

从模型上面来讲

就对它进行一个衡量

第一部分叫热传导

第二部分就是热对流

第三部分是热辐射

这是一个简单的一个就说我们这是 PCB 板

这是一个 IC

这是引脚、封装和硅片

它的散热通道大家可以看到

热传导其实就是说两个不同温差的物体相碰撞之后

它的这个热离子会进行移动进行转移

这就是热传导

热对流就是说一个流体

比如说你一杯水

你在兑冷水和温水一冲的时候

它也会出现这种内部的

就是说同样的一个物质

它会内部的这种热运动

会产生这个热量均衡

就是热对流

热辐射就是它通过

比如说你的这个这杯水

它的热量如何散发

它可以通过空气来进行散热

所以这个就是热对流

所以这是一个简单的就是说

大家可以不用记这个公式

但是就是知道这些东西

可能会影响到我们最后在设计过程中怎么布板

怎么选型和如何在你这个芯片

和功率芯片上面如何去选取

在这边主要两块可能就是我们的

这个因为固体传导是比较厉害的

所以热传导还有这个热对流这一块

都是主流在散热上面

在我们的一些

我想大家在做

不管是我们的电源的规格书上面

还是说我们的一些其它的一些 C2000

那种应用上面

它都有一个这个温度的一个系数

但是大家就是说尽量不要说这个参数

如果你发现你的 IC 的温度很高

大家尽量不要只是说你这个参数好像不对

或者说这个参数是对的

为什么我的温度会这么高

但一定要想到首先它这个

不是说你这个参数是在所有的环境

这个参数所有环境都是通用的

其实它是根据特定的一个芯片

特定的 PCB 和你的应用环境来定的

比如在我们 TI 内部它有个标准

所有的参数测量都是基于这个标准来做的

这边我不会讲

在这里我后面不会讲太多的理论的东西

我可能就讲一些你可能在规格书上面看到的一些东西

还有一些设计注意的东西

这里会突出讲一下我们的规格书上面

大家如果手头有规格书的话

可以看一下我们的一般的热参数都会有六个在这里

这六个就是我们六个建模

热模型出来的数据

其实有四个表征的是你这个热是怎么样

就说你这个散热的这个性能怎么样

然后另外两个是表征

就是说如果你想要知道你的这个 IC 的内部结温

我怎么样得到这个数据是一个评估的一个参数

所以在这里面这六个参数里面

这个参数可能是大家用的比较多的

这个参数表示就是芯片的结温

和空气之间的热阻

如果我知道这个 IC 它的一个功耗是多大

然后我又知道了这个参数的话

我其实可以做一个粗略的计算

我的 IC 的结温能达到多少

所以这对于设计中是很有参考意义的

但是这个不能绝对的

因为你的 PCB 板布的好和不好

这个差异比较大

这边就是说我刚才四个参数

第一个我已经讲过

它只是用来评估你这个工作温度的

第二个参数就是说这个叫 θJC

这个是 top

就是说你这个热阻在结温

到你这个 IC 的顶盖之间这个等效的

我们用电阻来描述它

是因为它这个热传导系数

这个是到你这个 IC 的

就说你 IC 的芯片下面也有一层胶封胶

这个封胶它的一个热参数

这个参数的只是表征

就是说我们的这个 IC

因为我们在使用 IC 的时候

有的 IC 它下面其实有一个散热片的

有的 IC 它是没有散热片的

那有散热片的话

我们就知道这个芯片

它到底层就这个硅片到这个芯片的底层

这个封胶之间这个热参数也是不一样的

有的话就尽量用这个参数来表征

这个系数越小

就比如说你这个散热越好

这是做一个简单的模型

我们把这个热的这些参数等效为电流电压电阻

这里假设是我们的这个硅片就是结

然后对应的是空气

然后中间这个点就是我们芯片的上表面

这个就是我们的芯片的下表面

这个就是 PCB 板

然后是空气

所以我们都用电阻来做一个表征

大家可以这样理解起来

就相对来讲不是那么抽象

这里做了两个简单的例子

大家做一个参考

就是说这两颗 IC

这两个封装其实是同一颗 IC 不同的封装

这颗 IC 大家看到其实是有一个很大的散热片

这颗 IC 是没有散热片的

这一块大家看这是一个地

它没有散热片

所以大家可以看到

这个 KTT 的封装它的 JA 是很小的

它越小也就是说

在你同样的功耗同样的应用条件下

它的这个结温就会越低

大家看看这个有没有散热片之间的差异

因为这一系列参数

其实主要的就是说它是相对的一个值

如果你有散热片的话

同样的芯片

同样的硅片对不同的封装而言

如果你这个 JA 的这个值偏小

其它的值都相对偏大

因为我们用计算的时候

基本上用这个 JA 就 OK 了

就可以计算出一个大概的一个值

然后最后一个这个值

它其实是表征这个散热片它的一个能力

大家看到这个值是非常小的

这个因为它没有散热片

所以这项参数是空着的

大家尽量要区分

就说我们在做这个在区分这些数据的时候

就是说 JC top 这个值

它其实表征的

就是说你这个散热 pad 它的一个值

这个值是比如说你散热 pad

有没有散热 pad 的

然后如果你没有这个散热 pad 的话

我们其实你可以参考 JB 的这个

它主要是它的散热

主要是依靠这个 Pin 脚来散热的

这是我们内部就是说在评估这个热模型的时候

对 IC 的热模型的评估上面

它这块就是说

如果你这个 IC 的整个的包括 Pin 脚

它的尺寸是小于 27mm 的话

那我们在建模型的时候

我们采用的这种标准 JESD 51 这个测试板来进行评估

那它又分两种

第一种就是说你的 High K

这个 K 就是热传导系数

这个热传导系数越高

就是说你的热传导能力就越强

它散热能力就越好

低 K 的就像我们是通常情况下

就是一些信号线的这些东西

就是我们假设这个 1 层 1s 的

这是两层信号线

两层 power 两层信号的层

两层是功率的一个地或者是什么其它的层

所以我们的所有的规格书上面

得到的基本上都是基于典型情况高 K 值的

就是基于这个情况下测得的值

这部分就是说

说到这个热散的话

其实热整体我们可以分为三部分

从模型上面来讲

就对它进行一个衡量

第一部分叫热传导

第二部分就是热对流

第三部分是热辐射

这是一个简单的一个就说我们这是 PCB 板

这是一个 IC

这是引脚、封装和硅片

它的散热通道大家可以看到

热传导其实就是说两个不同温差的物体相碰撞之后

它的这个热离子会进行移动进行转移

这就是热传导

热对流就是说一个流体

比如说你一杯水

你在兑冷水和温水一冲的时候

它也会出现这种内部的

就是说同样的一个物质

它会内部的这种热运动

会产生这个热量均衡

就是热对流

热辐射就是它通过

比如说你的这个这杯水

它的热量如何散发

它可以通过空气来进行散热

所以这个就是热对流

所以这是一个简单的就是说

大家可以不用记这个公式

但是就是知道这些东西

可能会影响到我们最后在设计过程中怎么布板

怎么选型和如何在你这个芯片

和功率芯片上面如何去选取

在这边主要两块可能就是我们的

这个因为固体传导是比较厉害的

所以热传导还有这个热对流这一块

都是主流在散热上面

在我们的一些

我想大家在做

不管是我们的电源的规格书上面

还是说我们的一些其它的一些 C2000

那种应用上面

它都有一个这个温度的一个系数

但是大家就是说尽量不要说这个参数

如果你发现你的 IC 的温度很高

大家尽量不要只是说你这个参数好像不对

或者说这个参数是对的

为什么我的温度会这么高

但一定要想到首先它这个

不是说你这个参数是在所有的环境

这个参数所有环境都是通用的

其实它是根据特定的一个芯片

特定的 PCB 和你的应用环境来定的

比如在我们 TI 内部它有个标准

所有的参数测量都是基于这个标准来做的

这边我不会讲

在这里我后面不会讲太多的理论的东西

我可能就讲一些你可能在规格书上面看到的一些东西

还有一些设计注意的东西

这里会突出讲一下我们的规格书上面

大家如果手头有规格书的话

可以看一下我们的一般的热参数都会有六个在这里

这六个就是我们六个建模

热模型出来的数据

其实有四个表征的是你这个热是怎么样

就说你这个散热的这个性能怎么样

然后另外两个是表征

就是说如果你想要知道你的这个 IC 的内部结温

我怎么样得到这个数据是一个评估的一个参数

所以在这里面这六个参数里面

这个参数可能是大家用的比较多的

这个参数表示就是芯片的结温

和空气之间的热阻

如果我知道这个 IC 它的一个功耗是多大

然后我又知道了这个参数的话

我其实可以做一个粗略的计算

我的 IC 的结温能达到多少

所以这对于设计中是很有参考意义的

但是这个不能绝对的

因为你的 PCB 板布的好和不好

这个差异比较大

这边就是说我刚才四个参数

第一个我已经讲过

它只是用来评估你这个工作温度的

第二个参数就是说这个叫 θJC

这个是 top

就是说你这个热阻在结温

到你这个 IC 的顶盖之间这个等效的

我们用电阻来描述它

是因为它这个热传导系数

这个是到你这个 IC 的

就说你 IC 的芯片下面也有一层胶封胶

这个封胶它的一个热参数

这个参数的只是表征

就是说我们的这个 IC

因为我们在使用 IC 的时候

有的 IC 它下面其实有一个散热片的

有的 IC 它是没有散热片的

那有散热片的话

我们就知道这个芯片

它到底层就这个硅片到这个芯片的底层

这个封胶之间这个热参数也是不一样的

有的话就尽量用这个参数来表征

这个系数越小

就比如说你这个散热越好

这是做一个简单的模型

我们把这个热的这些参数等效为电流电压电阻

这里假设是我们的这个硅片就是结

然后对应的是空气

然后中间这个点就是我们芯片的上表面

这个就是我们的芯片的下表面

这个就是 PCB 板

然后是空气

所以我们都用电阻来做一个表征

大家可以这样理解起来

就相对来讲不是那么抽象

这里做了两个简单的例子

大家做一个参考

就是说这两颗 IC

这两个封装其实是同一颗 IC 不同的封装

这颗 IC 大家看到其实是有一个很大的散热片

这颗 IC 是没有散热片的

这一块大家看这是一个地

它没有散热片

所以大家可以看到

这个 KTT 的封装它的 JA 是很小的

它越小也就是说

在你同样的功耗同样的应用条件下

它的这个结温就会越低

大家看看这个有没有散热片之间的差异

因为这一系列参数

其实主要的就是说它是相对的一个值

如果你有散热片的话

同样的芯片

同样的硅片对不同的封装而言

如果你这个 JA 的这个值偏小

其它的值都相对偏大

因为我们用计算的时候

基本上用这个 JA 就 OK 了

就可以计算出一个大概的一个值

然后最后一个这个值

它其实是表征这个散热片它的一个能力

大家看到这个值是非常小的

这个因为它没有散热片

所以这项参数是空着的

大家尽量要区分

就说我们在做这个在区分这些数据的时候

就是说 JC top 这个值

它其实表征的

就是说你这个散热 pad 它的一个值

这个值是比如说你散热 pad

有没有散热 pad 的

然后如果你没有这个散热 pad 的话

我们其实你可以参考 JB 的这个

它主要是它的散热

主要是依靠这个 Pin 脚来散热的

这是我们内部就是说在评估这个热模型的时候

对 IC 的热模型的评估上面

它这块就是说

如果你这个 IC 的整个的包括 Pin 脚

它的尺寸是小于 27mm 的话

那我们在建模型的时候

我们采用的这种标准 JESD 51 这个测试板来进行评估

那它又分两种

第一种就是说你的 High K

这个 K 就是热传导系数

这个热传导系数越高

就是说你的热传导能力就越强

它散热能力就越好

低 K 的就像我们是通常情况下

就是一些信号线的这些东西

就是我们假设这个 1 层 1s 的

这是两层信号线

两层 power 两层信号的层

两层是功率的一个地或者是什么其它的层

所以我们的所有的规格书上面

得到的基本上都是基于典型情况高 K 值的

就是基于这个情况下测得的值