TI高功率密度电源设计中的散热解决方案-上篇

大家早上好 今天外面天气很热 然后现在里面又很凉爽 那其实我们不但人要凉爽 我们的电源也要凉爽 那今天我们大家带来的主题是 高功率密度电源的设计 也就是让 大家一直保持凉爽 那今天大分为三部分 首先是温度对可靠性的影响以及温度与效率之间的关系 今天我跟大家聊一下如何计算 PB板上携电的温度也就是说 我们常说的结温的计算 然后其中也会探讨 我们以一些计算公式跟几个常用的计算工具 最后 我跟大家介绍一下 我们伊甸园产品线SIMPLE SWITCHER的 一些凉爽的电源的变换方案 可以看到就是说我们很多 失效 损坏 甚至是着火 很大一部份原因是由于 温度过高或者是 不良的设计引起的 那温度超过芯片的一个工作承受的最大范围 导致的 大家谁认识右图这位老兄 这个是我们叫做阿伦尼乌斯 阿伦尼乌斯是1903年诺贝尔化学奖的得主 那他有一个著名的公式叫做 阿伦尼乌斯方程 那这个在可靠性领域得到了广泛应用 这个方程看起来有点复杂 那我跟大家 大家只要记住一点就是 温度每升高十度 寿命减半 我觉得这个其实不仅适用于 化学 半导体同时我觉得应该也适用于我们人类 比如在赤道周围 那温度很高 我们也很难看到说这个地区的人很长寿 那我们来接下来看一下这个损耗和温度的关系 那铜皮的电阻系数是3900个ppm每度 也就是说 温度每上升一百度 电阻增加39% 来举个例子 以一个流固电流为十安培的电感 那假设它的电组它的初始电组是十个毫欧 那这个时候它的功耗是一瓦 那如果温度升高六十度以后 这个电阻增加到11.95个毫欧 那对应的损耗是1.195瓦 也就是说损耗增加了20% 那温度其实不仅跟电阻有关系 它同时在开关电源里面 它也会增加开关的转换的时间 同时这个电流也会随着温度升高而变大 那接下来我跟大家分享一下如何计算那个PCB板上携电的温度 在开始之前呢 让大家认识的是 了解一下是热阻 那什么是热阻 简而言之就是 阻碍热传导的能力 那我今天跟大家介绍主要应该是三个参数 可以看得到 那我们说的芯片的温度是结的温度 那跟它相关的 所以最接近的是结到外壳的温度 我们叫做 ΘJC 就是junction to top 那还有一个往下就是结到板子的温度 我们叫做ΘJBjunction to bottom 那还有一个更重要的温度 系数叫做ΘJA 那也就是junction to ambient 就是结到环境的热阻 ΘJC就是结到外壳的温度 它是衡量封装的一个最好的参数 那它跟板子无关它只是跟封装有关系 那ΘJA跟它相反它是跟PCB板有关系的 那它通常我们ΘJA是 根据JEDEC标准里边然后里面定义的PCB的乘数 铜皮的厚度 耗散的功率以及 相应的风速来定义的 所以是以大家是在不同携电不同厂商 所以可以有一个标准的参照 那 那这个公式就是我们计算结温最常用的公式 T JMAX等于PD MAX乘以ΘJA加上TA 也就是说 结温等于耗散功率乘以 热阻 就是结到环境的热阻 再加上那个当前的环境温度 那耗散的功率跟电源设计和源携电选择有关系 这个ΘJA的热阻跟封装的选择 板子的大小还有就是热源的分布 风速等等有关系 那我们计算 结温通常会分三个步骤 第一个步骤我们是先确定芯片损耗了多少 我们叫做耗散功率 那举一个同步的加压器为例子 那我们知道LM43603是 我们的36伏3安培的同步加压器 那左边是它的那个典型的电路图 内建补偿 所以外围器件非常少 那选用的是4.7微安的电感 那右边的是相应的效率曲线 那我们可以看得到对于 24伏输入 这是一条红色的曲线 那可以看得到在24伏 5伏输入的5伏两安输出的时候 我们得到的效率是82% 那根据效率的公式我们可以算出 损耗Pd等于Vout乘以Iout 乘以一个1减效率 除以一个效率 最后得到的我们整个损耗是2.195瓦 那这个损耗主要包含两部分一个是芯片 一个是电感 那我们假设4.7微亨的电感 在三安培合并电流的时候它的电阻是30个毫欧 那对应的 我们考虑为了简单计算 我们忽略了交流损耗 那得到的电感直流损耗就是I平方R loss 也就是0.12瓦 因此 IC的损耗就是等于总功率的总损耗减去电感的损耗 也就是2.075瓦 那接下来第二步我们就根据这公式 ΘJA要小于 结温减去环境温度除以一个损耗 那我们其实有一个简单的excel spreadsheet 那它可以分两种情况下 一种是说我们已知整个芯片的效率 那根据刚才设定的参数 环境 最大的结温 输入输出电压 然后计算出我们得到的效率82% 刚才我们算到的最大的IC功耗是2.075瓦 所以 根据这个上面的公式 可以得到我们说 这个时候ΘJA允许的ΘJA最大 不能超过28.91度 那如果我们不知道芯片的效率 我们知道我们想要什么样的封装 我们可以通过右边这个公式来计算 那根据芯片的封装我们可以得到它的结到环境的温度 ΘJA是15度没有瓦 那同样对应的我们就可以算出芯片允许的最大损耗 允许最大损耗是4瓦 所以 从而推算出这个芯片要求它的最低的工作效率要达到70.8% 那接下来我们得到ΘJA以后 我们要来估算 PCB铜皮的面积 那有几个选择 一个是说 如果是有一个很经验丰富的工程师 他可以用经验公式 或者 第二种方式就是 我们有些规则书里面会标明 就是ΘJA与铜皮面积的关系 就是一个最简单的方式来得到的铜皮面积 第三种方式是我们有一个 伊甸园产品线开发的一个spreadsheet 它是用来一个热设计的用来估算 最后是第四个还有就是我们有一个在线的工具 我们叫做PCB热设计计算器 我们待会后面会详细介绍 那最后还有一个我们叫做WebTHERM WebTHERM是一个我们在线的可视化的仿真工具 那经验公式来讲通常我们对于1oz的铜皮 然后自然散热情况下 对一瓦的耗散功率 如果我们知道ΘJC 我们可以根据上面的公式算出所需要PCB板的铜皮面积 那如果我们不知道ΘJC 我们用下面的公式来计算出整个的一个大概的铜皮面积 先看到这个经验公式还是比较粗略的 那 如果你选用了像伊甸园产品线系列的一个产品 我们可以在规则书里面找到 这种ΘJA对应的一个铜皮面积的曲线 那根据这个曲线我们就可以很快的得到这个铜皮的面积 举个例子 我们对于一个四层板 然后是 热阻要求是ΘJA是小于28.9度 那我们看一下 四层板 两瓦的耗散功率 两层板两瓦耗电功率是这个点 四层板两瓦的耗电功率是这个点 所以 对于四层板两瓦的耗电功率 我们算出的面积是 34乘以34个平方毫米 那 对于两层板是红色那条曲线 那我们可以看得到 对应的应该是42乘42的平方毫米 所以 这是我们看到最简单的一个 方法来得到PCB的铜皮 那对于一般的携电我们还有一个excel的计算表格 那你只要输入封装的特性 比如说junction to case就是ΘJC的参数 然后 你可以去改变PCB板的面积 过孔的数量 来最后得到一个 热阻参数的一个估算 那大家若感兴趣都可以在TI的这个网站上下载 这是免费的 然后 应用手册可以看到这个SNVA419C 如果大家觉得刚才那个spreadsheet比较复杂的话 我们还有一个在线的更加简单的工具 那这个是我们叫做 PCB铜皮面积的计算器 我们叫做PCB热设计计算器 那简单是在下面这个链接就可以进到这个里面 那需要选择的是 你选用什么样的TI的器件 然后它会自动生成 ΘJC也就是结到外壳的热阻 然后 你输入就是整个芯片的损耗 0.5瓦或者是15瓦 那点击计算 它就可以给出 推荐的PDB的铜皮面积 同时 它还给出了就是 计算出当前结温度的结的一个最高的温度 我们还可以实时去改变 PCB铜皮的大小 然后 相应的 结的温度也会在这边得到更新 那大家注意到这两个会有不同 其实它是因为 上面这个是加强的散热的PCB 也就是使用1oz的铜 那下面这个红色的是使用0.5oz的铜