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設計電源管理電路時必須考慮的散熱問題
高溫或內部功耗產生的過多熱量可能改變電子組件的特性并導致其關機、在指定工作范圍外工作，甚或出現故障。電源管理組件(及其相關電路)經常會遇到這些問題，因為輸入與負載之間的任何功耗都會導致組件發(fā)熱，所以必須將熱量從這些組件中驅散出來，使其進入PCB、附近的零組件或周圍的空氣。即使在傳統(tǒng)高效的開關電源中，當設計PCB和選擇外部零組件時，也都必須考慮散熱問題。
設計電源管理電路時，在考察散熱問題之前對熱傳遞進行基本了解是很有幫助的。首先，熱量是一種能量，會由于兩個系統(tǒng)之間存在溫差而進行傳輸。熱傳遞透過三種方式進行：傳導、對流和輻射。當高溫組件接觸到低溫組件時，會產生傳導。高振幅的高溫原子與低溫材料的原子碰撞，因而增加低溫材料的動能。這種動能的增加導致高溫材料的溫度上升和低溫材料的溫度下降。
在對流中，熱傳遞產生在組件周圍的空氣中。在自然對流中，物體加熱周圍的空氣，空氣受熱時膨脹形成真空，導致冷空氣取代熱空氣。因此形成循環(huán)氣流，不斷將組件的熱量傳輸給周圍的空氣。另一種形式是強制對流，例如風扇主動吹冷空氣，因而加速取代暖空氣。當物體將電磁波(熱輻射)發(fā)送至周圍環(huán)境時就會產生輻射。輻射熱量無需介質傳遞(熱量可以透過真空輻射)。在PCB中，熱傳遞的主要方法是傳導，其次是對流。
下面的等式給出了以傳導方式熱傳遞的數學模型：
其中H是傳熱速率(單位為J/s)，K為材料的導熱系數，A為面積，(TH-TL)為溫差，d為距離。當接口之間的接觸面積增大、溫差增大或接口之間的距離減少時，熱量傳導速度加速�？梢詫醾鬟f仿真成一個電路，方法是將能源(熱源或前面等式中的H)等同于電流源，高溫組件與低溫組件之間的溫差等同于電壓降，(K×A/d)部份作為導熱系數，或將倒數(EQ2)等同于熱阻(單位為℃/W)。通常熱阻表示為符號θ或Rθ或只表示為RA-B，其中A和B是產生傳熱的兩個組件。使用電路仿真重寫熱傳遞速率等式，得到以下結果：
該仿真可以深入進行，以描述組件的另一個熱屬性，稱之為熱容。正如將熱阻模擬為電阻，可以將熱容(CT，單位為J/℃)仿真為電容。將熱容與熱阻并聯獲得熱阻抗(ZT)。圖1所示為傳導傳熱的簡化RC模型。能源被模型化為電流源，熱阻抗被模型化為CT與RT并聯。
圖1：簡化的熱阻抗模型。
在電路中，每個熱界面都有熱阻抗。熱阻抗因材料、幾何形狀、大小和方向的不同而各異。系統(tǒng)(或電路)的熱阻抗對環(huán)境溫度來說有一個總熱阻抗，它可以分解為電路中每個組件的熱阻抗的并聯和串聯的組合。例如，在半導體組件中，晶粒(也稱作結)與周圍空氣(稱作熱阻抗)之間的總熱阻抗，即由結到環(huán)境之間的熱阻抗(ZJ-A)，將是結構中每個單獨材料的單個熱阻抗的總和。
考慮到在PCB上安裝的分離MOSFET。穩(wěn)態(tài)熱阻抗(或熱阻RJ-A)是結到組件外殼的熱阻(RJ-C)、組件外殼到散熱器的熱阻(RC-S)與散熱器到空氣的熱阻(RS-A)之和。(RJ-A=RJ-C+RC-S+RS-A)。此外，還可以有平行的散熱路徑，例如從MOSFET結經過組件外殼到PCB，再從PCB到環(huán)境溫度。
通常情況下，半導體制造商會給出結點到組件外殼的熱阻。另一方面，RC-S和RS-A主要取決于散熱器和PCB的屬性。許多因素會影響熱阻RC-A或RC-S，包括PCB的層數、到輔助面的過孔數、與其他組件的接近程度以及氣流速率。通常RJ-A會列在組件數據表中，但該數值是在特定測試板條件下得出的，因此僅適用于在相同條件下測量的組件之間的比較。
熱阻(RJA)是電子零組件的重要參數，因為它是組件散熱的指針(基于環(huán)境條件和PCB布板)。換言之，RJ-A可以幫助我們根據環(huán)境條件和功耗估算工作結溫。
開關電源中的散熱
電源管理電路中散熱考慮的典型示例，可以參考圖2所示美國國家半導體提供的LM3554電路。該組件是一個感應升壓轉換器，針對移動電話應用中的高功率閃光LED。LM3554是一個很好的測試工具，因為它是一個小型組件(1.6mm x 1.6mm x 0.6mm)，而且可以提供高達6W的輸出功率((1.2A閃光電流在5V LED中)。即使提供85%左右的效率，相對較大的輸出功率能力和微小的16-bump μSMD封裝，該組件都需要承受較高的工作溫度。
圖2：美國國家半導體的 LM3554 閃光 LED 驅動器測試電路。
LM3554中的初始散熱效應的主要表現是組件開關的導通電阻增加和組件閾值的改變。在溫度過熱的極端情況下，該組件可能觸及熱關機閾值而導致關閉。知道準確的RJ-A，可以幫助確定組件在功率執(zhí)行期間的結溫，并確保電路按照預期可靠地完成應用的要求。
在可能的情況下，該組件能夠擁有3.6V的輸入電壓、3.6V的LED電壓和1.2A的LED電流。在這種情況下，轉換器將輸出電壓升至高于VIN 300mV。這為組件的兩個并聯電流源(負責調節(jié)LED電流)提供了300mV的凈電壓。
組件的總功耗將為同步PFET、NFET和兩個電流源的功耗之和。PFET和NFET的功耗在電阻組件上，因此必須使用RMS電流來準確估算功耗。此電流就是RMS電感電流乘以開關周期(NFET和PFET的導通時間)百分比。如果知道轉換器效率，可以用下面的等式算出占空比：
針對我們的情況，VOUT=VLED+300mV，且效率大約為90%。這可以算出PFET占空比(1-D)為83%，NFET占空比為17%。RMS電感電流等式為：
其中ΔIL為峰到峰值電感電流，在我們的示例中大約為140mA，ILDC是透過ILED/(1-D)算出的平均電感電流。
開關中的總功耗變?yōu)?/span>NFET(RDS_ON=125mΩ)的45mW加PFET(RDS_ON=152mΩ)的265mW。此外，由于電流源的功耗為300mV×1.2A=360mW，使得內部總功耗達到668mW。數據表中的RJ-A為60℃/W，且來自4層JEDEC測試板(詳見JESD51-7)。使用該RJ-A時，預測結溫在TA=50℃時為83.4℃。這對組件將不構成問題，因為它低于150℃的熱關機閾值，且低于LM3554數據表中指定的最大工作結溫125℃。
在另一種情況下，可以將LM3554設置為在同一閃光脈沖期間?琠w輸出+5V。300mV電流源凈電壓現在變?yōu)?/span>5V-3.6V=1.4V，導致電流源功耗為1.68W。假設組件在以1.2A電流提供5V電壓時效率仍為90%，則占空比為35.2%，因而使直流電感電流1.85A具有288mA的ΔIL。NFET功耗現在為151mW，PFET功耗為338mW�？偟膬炔抗�2.169W，在TA=50℃時會導致高達180℃的核心溫度，這比熱關機閾值高30℃，且比最大工作結溫高55℃。
在現實中，該設備不會安裝在4LJEDEC測試板上，而會安裝在具有不同布線面的PCB上，它靠近消耗功率的其他組件，且到低層的過孔數也各不相同。所有這些應用變量，加之許多其他因素都會顯著影響RJ-A，因而降低結溫運算的準確度。
測量熱阻抗(RJ-A和CJ-A)
我們需要的是代表實際電路的準確RJ-A。測量RJ-A有多種方法，一種方法是使用熱關機閾值，將其設置為+150℃。要用這種方法測量RJ-A，我們可以讓LM3554在已知功耗(PDISS)下工作，然后慢慢提高環(huán)境溫度直到組件關機為止。該組件具有一個內部標志，可以透過I2C兼容接口設置，在觸及熱關機閾值時會返回‘1’。使用這種方法獲得的RJ-A將為：
另一種方法是使用組件中的一個ESD保護二極管，并測量其VF與溫度。相較而言這種方法稍微復雜一些，但得出的結果將更準確，這是因為VF可以在整個溫度范圍下進行表征。多數半導體組件的每個接腳上都有ESD二極管，其陽極連接至GND，陰極連接至各自的接腳。
為了測試LM3554，我們可以查看LEDI/NTC接腳，并從該接腳拉出小電流(<10mA)，同時讓溫度變化。每個接腳的最大絕對額定值最小為-0.3V，但那是由于ESD二極管在最高結溫+150℃時的VF而引致的。如果將電流限制為小于10mA，我們可以在不損害組件和增加任何自熱的情況下查看二極管的VF。從+25℃到+125℃，該接腳的測量結果產生線性響應，斜率大約為1.3mV/℃。一旦這項工作結束，就可以在測量所選ESD二極管VF的同時，讓組件在已知功耗下工作。當VF達到穩(wěn)態(tài)時，RJ-A將為：
其中VF@TA是ESD二極管在TJ=TA時的VF，VF@SS是ESD二極管在已知功耗(PDISS)下TJ達到穩(wěn)定狀態(tài)溫度之后的VF。
最后一種方法是使用MOSFET的導通電阻隨溫度而產生的變化。這種方法是在組件處于上電模式時使用內部PFET來完成。LM3554上的上電模式是指組件停止開關并持續(xù)打開PFET。如果VIN升至比VOUT高150mV時就會出現這種情況。在那時，升壓轉換器無需提升VOUT，而PFET會使VIN直接到VOUT。
因為電流有些輕微依賴MOSFET的導通電阻，所以有必要在電流接近目標閃光電流時測量PFET電阻。使用大測試電流的問題是它們可能導致組件發(fā)熱�？朔藛栴}的方法是將閃光超時時間設置為最低32ms，并在示波器上測量PFET的電壓降。在+25℃到+125℃的情況下，使用1.2A閃光電流，結果顯示的斜率大約為0.42mΩ/℃。要注意的一個事情是PFET透過VOUT接腳供電，因此VOUT=5V時，其導通電阻會低于VOUT=3.9V時的電阻值。
使用上述三種方法，當PDISS=1.67W時，使用熱量關機測量法得出的結果為45℃/W，使用ESD二極管VF測量法得出的結果為42℃/W，使用PFET導通電阻法測量的結果為48℃/W。圖3顯示了在0.856A閃光LED測試電流脈沖期間，PFET的導通電阻以及ILED/NTC的ESD二極管的VF。組件的VIN設置為5V，超時時間設置為1024ms。VLED為3.18V時，使得該電壓強制LM3554進入上電模式。在這種模式下，功耗完全由PFET和電流源導致。
圖3：閃光脈沖期間LM3554 PFET的導通電阻和LEDI/NETC的ESD二極管。
在穩(wěn)態(tài)下，LEDI/NTC的ESD二極管的VF為-622mV，對應結溫95.2℃(環(huán)境溫度為25℃時)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，測得的PFET導通電阻為154mΩ，對應結溫105℃。圖3還描繪了LM3554的熱容。VF和RPMOS的響應表現呈現類似于一階RC的指數級上升，運算等式如下：
熱容則為：
使用ESD二極管的正向電壓時獲得的熱容為0.009J/℃，使用PFET導通電阻時獲得的熱容為0.0044J/℃。溫度讀數之間的差異可能是由于組件上的溫度梯度而造成的。PFET緊鄰電流源，預計其溫度上升將較快，且溫度會比LEDI/NTC接腳的ESD二極管高，后者離IC上的功率組件較遠。造成這樣的溫度差異是由于組件核心區(qū)域兩個測量點之間的熱阻和熱容引起的。另外，響應大約為單次常量指數。實際上，功耗會隨著PFET和電流源升溫而產生些微的變化。這將導致隨著結溫上升，PDISS也些微增加。
當處理脈沖工作組件(如閃光LED驅動器)時，對熱阻抗模型比對單獨熱阻的考慮深入得多。例如，閃光脈沖電流為1.2A，VIN為5V且VLED為3.4V。在這種情況下，組件在上電模式下PDISS=2.14W。當RJ-A為48℃/W且環(huán)境溫度為50℃時，穩(wěn)定狀態(tài)模型指示核心溫度會上升至153℃，這比最高工作結溫高出28℃。如果我們考慮熱容(0.0044℃/J)并將200ms閃光脈沖寬度運算在內，則可以獲得對核心溫度更好的估算，大約為113℃。
電感和溫度
迄今為止對關于LM3554和高溫的討論也適用于LM3554的功率電感。與半導體組件(如LM3554)一樣，功率電感損耗過多熱量將改變組件特性并導致電感和電源工作異常。功率電感溫度過高，通常會導致直流繞線電阻增加和飽和電流限制降低。
電感電阻
電感線圈的電阻溫度系數導致電感直流電阻會隨著溫度變化。線圈通常為銅制，溫度系數約為3.9mΩ/℃，運算其電阻的等式如下：
或相當于0.39%/℃變化。
讓我們再看一下LM3554，評估套件中指定的電感是Toko生產的FDSE0312-2R2。在TA=25℃時，測得的電阻為137mΩ。在85℃時，電阻變化為50℃×0.39%=19.5%(或變?yōu)?/span>164mΩ)。在RMS電感電流為2A且VIN=3.6V時，電感電阻變化會導致效率降低約1.5%。
電感飽和度
或許在高溫狀況下，功率電感最為關注的問題是額定飽和電流下降。使用較大的RMS電流時，內部功耗導致電感溫度上升，因而降低電感的飽和點。在飽和時，電感鐵磁核心材料已達到磁通密度(B(t))，該密度不再隨磁場強度(H(t))成正比增加。相反，當飽和時，由于電感電流增加而引起任何磁場強度增加，會導致非常小的磁通密度增加。
如果在示波器上查看交換式穩(wěn)壓器電感電流，我們會看到組件進入飽和狀態(tài)時，電感電流斜率增加。這相當于電感下降。紋波電流的增加將導致RMS電流和電感的開關損耗增加，這兩項都會增加電感的功耗并降低效率。
電感在特定點達到飽和時會產生突然的飽和響應，或者會與FDSE0312-2R2電感一樣產生逐漸的飽和響應。然而，電感制造商通常會將飽和點指定為既定電流和溫度下電感值的特定百分比跌幅。
圖4描繪了工作在飽和狀態(tài)下電感的實例。該例子使用TDK生產的VLS4010-2R2(2.2μH)電感，在進入飽和狀態(tài)時出現急劇下降。當采用最小閃光脈沖寬度32ms，在升壓模式下LM3554會顯示出這種效應。較窄的脈沖寬度限制了電感的自熱，因而可以透過調節(jié)環(huán)境溫度來控制電感的溫度。
圖4：電感飽和與溫度。
圖4左上圖顯示了在飽和點以下工作的電感，具有正常的三角電流波形，可由(V/L×Δt)算出。在峰值電流保持相同且溫度升至50℃(右上圖)時，電感電流斜率開始增至1.76A標記附近，指示顯示電感的飽和點隨著溫度上升而向下行動。當溫度升到70℃，然后升到85℃時，隨著電感達到飽和整個電流波形最終出現。
各種因素都會促使電感的溫度上升。這些因素包括環(huán)境溫度、電感的熱阻抗和電感的內部功耗。利用電感的直流電阻隨溫度變化這一特性，我們可以比較準確地估算電感的工作溫度。這類似于使用ESD二極管或PFET導通電阻，在此將電感線圈作為內部溫度計。
返回到我們的電感電阻與溫度對比的等式中去，透過兩個溫度下電感電阻的比率可用下式算出ΔT：
圖5中所示的測試示例在LM3554的電路中使用了VLS4010ST-2R2，直流電流階躍為1.65A。室溫時的電阻開始時為65mΩ。超過30秒之后，電感達到穩(wěn)態(tài)，電阻變?yōu)?/span>73mΩ，相應的穩(wěn)態(tài)工作溫度大約為56℃。
圖5：電感熱響應。
使用熱阻(RT)的定義，可以獲得：
此處要注意的一件事情是電感的功耗是其線圈電阻的函數，后者會隨著溫度產生變化。因此，需要考慮運算電感在特定RT的TF。將RT的等式插入電感電阻與溫度等式并求解TF可以得出：
其中k為
。
圖5顯示等效的電感溫度上升與時間大約具有一階指數關系。這再次得出等式：
采用下面等式算出的熱容：
了解閃光LED驅動器示例中的電感熱阻可以提供一些有益的見解。因為與閃光持續(xù)時間(小于1秒)相較，電感達到穩(wěn)定溫度需要相當長的時間，所以采用穩(wěn)態(tài)熱阻估算的滿閃光電流時的電感工作溫度，很可能會高估電感的工作溫度。這可以允許減少在脈沖組件(如閃光LED驅動器，而不是穩(wěn)態(tài)電源)中工作的電感尺寸。
本文小結
當處理功耗相對較大的組件時，通常有必要估算電源管理電路的溫度。使用通用熱阻可以很好地比較采用相同封裝的相似組件，但很可能得不到準確的溫度預測。因此，通常有必要采用復雜的熱運算或直接測量熱阻的方法。本文重點介紹了幾種適用于測量組件的溫度并獲得組件熱阻的示例。藉由得知準確的組件溫度和組件功耗，可進行熱阻運算。
在知道熱阻之后，利用組件功耗的逐步變化和監(jiān)控組件溫度可以操作數件熱容。這樣可以更準確地估算由于瞬態(tài)熱事件導致的組件溫度。本文中列出的示例是透過使用高電流白光LED閃光驅動器而完成的，但也同樣適用于其他電源管理組件，包括以脈沖方式工作及專為長時間工作而設計組件。
作者: Travis Eichhorn
應用工程師
美國國家半導體
