在轉換數據手冊的熱阻參數時，如何做出有意義的設計決策存在很多困惑。這篇介紹性文章將幫助當今的硬件工程師了解如何破譯數據手冊中的熱參數-包括是否選擇theta vs. psi，如何計算這些值，以及最重要的是如何以實用的方式將這些值應用于設計中。本文還將介紹應用環境溫度之間的關系，以及它們如何與PCB溫度或IC結溫進行比較。最后，它將討論功耗如何隨溫度變化，以及如何使用該特性來實現冷運行，成本優化的解決方案。

電熱類比

為了更輕松地了解熱量，可以在熱量和電量之間進行某些類比。表1和表2比較了電量和熱量以及它們的材料常數。

表1：電量和熱量之間的模擬關系（1）

注意：
1）該表的內容來自Technische Temperaturmessung：第一卷，Frank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。
2）el表示電值，th表示熱值。

表2：不同材料的材料常數和變量

電氣和熱模擬方程

電量和熱量可以在網絡中計算，并且可以與基爾霍夫的規則相提并論（見表3）。

表3：電氣和熱過程方程之間的類比（3）

注意：
3）該表的內容來自Technische Temperaturmessung：第一卷，Frank Bernhard，ISBN 978-3-642-62344-8。

數據表中的熱阻（θJA和θJC）

圖1引入了MPQ4572，這是MPS的DC開關電源IC，作為理解熱參數的示例。在本數據表中，有兩個指定的熱阻參數：θJA和θJC。這些參數將在本文中更詳細地討論。

圖1：數據表中的熱阻（θJA和θJC）規格

圖2顯示了具有5V / 2A輸出的典型MPQ4572應用電路。

圖2：具有5V / 2A輸出的MPQ4572典型應用電路

結至環境熱阻（θJA）是多少？

θJA被定義為從結點到環境溫度的熱阻。它衡量設備通過所有傳熱路徑，銅走線總和，過孔和空氣流通條件將結點的熱量散發到環境溫度的能力。

因此，給定的θJA僅對其定義的PCB有效。一個普遍的錯誤是認為θJA是可以在所有PCB上使用的常數。θJA允許在共同的PCB不同的包，諸如JEDSD51-7的比較。例如，如果MPQ4572是一個4層PCB JESD51-7上（4），其θJA可以用公式（1）計算：

注意：
4）JESD51-7是4層PCB，是用于帶引線表面安裝封裝的高效導熱測試板。它是114.3mmx76.2mm。其測量方法可從https://www.jedec.org/獲得。

如果MPQ4572位于4層上，則為2盎司。銅MPS測試PCB（8.9cmx8.9cm），其θJA可以與等式（2）來計算：

圖3顯示了EVQ4572-QB-00A，它是MPQ4572的評估板。

圖3：EVQ4572-QB-00A評估板

當RT= 25°C時，EVQ4572-QB-00A的功耗為1.1W。使用JESD51-7板時，可以用公式（3）估算結溫（TJ）：

結殼熱阻（θJC）是多少？

θJC被定義為從結到外殼的溫度在封裝底部的熱阻。在靠近引腳的位置測量該溫度。用θJC和公式（4）計算結溫：

其中，熱流JC是從結點流到外殼的熱量。熱流JC可用公式（5）估算：

其中，熱流JT是從結點流到頂表面的熱量。圖4顯示了為什么不能將θJC用作定制PCB上的測量結果。

圖4：結到外殼的熱阻（θJC）

θJC不能用于有兩個原因定制PCB上的測量：

定制PCB可以是任何尺寸，可能與JESD51-7 PCB的114.3mmx76.2mm固定尺寸不同。θJC的目的是比較不同封裝的傳熱能力，因此，應該使用JEDSD51-7 PCB進行比較，因為它的參數已經過研究和測量。

來自定制PCB封裝的實際熱量尚不清楚，而JEDSD51-7 PCB已經測量了此參數。考慮具有1.1W功耗的示例。在示例中，熱流分為兩條路徑：θJC（定制PCB未知），以及通過對流從封裝表面輻射到環境的熱流。

哪些是對熱特性參數結到外殼頂部（ΨJT）和結對板（ΨJB）？

希臘字母的名稱是psi。ΨJT和ΨJB在JESD51-2A中描述。當設計人員知道電氣設備的總功率時，可以使用Psi。器件功率通常很容易測量，通過以psi為單位進行計算，用戶可以直接計算電路板的結溫。

ΨJT和ΨJB是一個指定的環境下，其特征在于測量虛擬參數。結溫可以用公式（6）計算：

其中TSURFACE（°C）是封裝頂部的溫度，PDEVICE是IC中的電源。

公式（6）使用了器件的總功耗。這意味著不必知道封裝頂部和引腳之間的功率分配。這是使用熱特性參數而不是θJC的優勢。

對于Ψ的典型值JT是0.8℃/ W和2.0℃/ W之間。更小的封裝趨向于具有較低的ΨJT，而具有較厚模制化合物更大的封裝具有更大的ΨJT。分別用公式（7）和公式（8）估算theta（θ）和psi（psi）之間的差：

熱網計算

圖5顯示了可以轉換為等效線性電網的熱網絡。θJA是用于結點和環境空氣之間的等效熱阻典型名稱。

圖5：IC和PCB的熱網絡圖

系統具有熱穩定性時，使用熱阻（°C / W），熱流（以W為單位）和溫差（以Kelvin為單位）來描述系統。如果將熱容量（Ws / K）添加到此網絡，則可以計算出瞬態響應。

隨著網絡規模的增加和詳細程度的提高，這種計算變得越來越復雜。硬件開發人員通常缺乏有關尺寸，材料常數和熱流的精確信息。布局和熱程序可以通過有限元計算以圖形方式表示熱量分布，是避免進行較大的數學計算的不錯選擇。

布局建議

為了使器件保持涼爽，建議使IC和銅平面之間的金屬傳熱路徑盡可能短。使用兩個溫差較大的點來輔助冷熱溫度之間的金屬傳熱路徑。在該系統中，與較冷的VIA2相比，VIA1在頂層和底層之間具有更高的銅溫差（請參見圖6）。這意味著VIA1可以在兩層之間傳遞更大的熱量，從而實現更有效的冷卻。靠近封裝放置的過孔最有效。

圖6：直流開關電源IC的熱圖像

必須在IC附近放置連續的銅熱路徑。避免切割帶有不必要導體軌道的平面。外層最好能夠將熱量散發到環境中。避免為靠近IC的零件提供散熱，因為散熱會影響熱量的傳輸。

通孔改善了層之間的熱流。GND和穩定的電勢是熱過孔的合適位置。填充和封蓋的通孔提高了導熱性，可以直接放置在表面貼裝技術（SMT）焊盤下面。大規模的熱布局通常有利于電磁兼容性（EMC）。避免使用具有較高dI / dt或du / dt的通孔（例如，交換節點），因為這會降低EMC性能。

FR4是一種廣泛使用的PCB環氧樹脂材料，由于其環氧樹脂和玻璃纖維不能很好地導熱，因此導熱系數低。在PCB層之間放置銅過孔，以改善層之間的熱連接。某些PCB材料的導熱性是FR4的4至8倍。

結論

MPS的MPQ4572用于顯示熱參數如何類似于電量和網絡，并且兩者可以相互轉換。工程師經常使用的電量使您能夠快速了解??PCB，環境和半導體之間相互作用中的熱參數。

器件數據手冊中通常列出了熱阻參數（θJA和θJC），允許設計人員在不同封裝的熱特性之間進行比較。其特征在于耐熱性（ΨJT和ΨJB）允許設計者計算自定義應用程序的結溫。IC表面頂部的溫度測量使其易于獲得準確的結溫。
編輯：hfy