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自動駕駛是所有汽車OEM在這個時代面臨的新一波重要趨勢，車輛內(nèi)的電子控制單元（ECU）數(shù)量急劇增加。其中涵蓋了諸多應(yīng)用，例如駕駛輔助攝像頭、數(shù)據(jù)融合 ECU 以及它們各自的功耗管理。
根據(jù)應(yīng)用和操作范圍，預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出功率范圍不等，小至停車輔助 ECU 的幾瓦特，大至數(shù)據(jù)融合 ECU 的上百瓦特。本系列文章將闡述使用散熱片降低電子器件熱應(yīng)力的潛在意義，以及系統(tǒng)熱性能與各種因素（例如散熱片的位置和尺寸）的相關(guān)性。
之前我們分享了高功率降壓轉(zhuǎn)換的散熱評估測試原理概述，今天將為大家對比三種不同配置下電路板熱性能的評估。
測量準(zhǔn)備
使用了三種配置來評估電路板的熱性能：
設(shè)置 #1：不帶散熱片
設(shè)置 #2：散熱片在頂面
設(shè)置 #3：散熱片在底面
對于所有三種配置，該電路板使用以下電氣參數(shù)進(jìn)行測試（表 5）；此外，效率和總損耗是在給定的操作點測量的。
表5.操作點
| 輸入電壓 | 輸出電壓 | 輸出電流 | 總損耗 | 效率 |
| 12.0 V | 5.0 V | 5.0 A | 1.2 W | 95.3% |
| 12.0 V | 5.0 V | 10.0 A | 3.1 W | 94.1% |
| 12.0 V | 5.0 V | 15.0 A | 5.1 W | 93.5% |
| 12.0 V | 5.0 V | 20.0 A | 8.4 W | 92.2% |
圖9顯示了高達(dá)20.0A 負(fù)載電流的效率圖。
圖9.效率圖
為確保MOSFET兩端的溫度足夠穩(wěn)定以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，在執(zhí)行測量之前進(jìn)行了一些試驗性測量以了解MOSFET溫度穩(wěn)定后的時間跨度。對于所有測量，K型熱電偶和HERNON 746 SET-04導(dǎo)熱膠用于將熱電偶連接到 MOSFET和PCB。
此外，在給電路板加電之前，兩個熱電偶都連接到 MOSFET 并在室溫下進(jìn)行測量，以確保它們顯示相同的溫度。在 24.0°C 的環(huán)境溫度下，兩個傳感器之間的偏差小于 0.3°C，這對于本次評估來說足夠準(zhǔn)確。
表6顯示了 MOSFET 的溫度在大約 20 到 25 分鐘后穩(wěn)定到一個穩(wěn)定值。由于 20 分鐘和 25 分鐘之間的差異可以忽略不計，因此選擇 20 分鐘的時間跨度以折中記錄每次測量之間的溫度數(shù)據(jù)的持續(xù)時間和準(zhǔn)確性。
表6.在沒有散熱片的情況下隨時間變化的溫度曲線
| 設(shè)置 #1 - 無散熱片 - Vin=12V，Vout= 5V，Iout=20A | ||
| 延時 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5 分鐘 | 71.3°C | 79.5°C |
| 10 分鐘 | 77.8°C | 85.0°C |
| 15 分鐘 | 80.7°C | 85.1°C |
| 20 分鐘 | 81.6°C | 86.6°C |
| 25 分鐘 | 81.8°C | 87.0°C |
表7顯示了安裝在PCB底面的 60mm 散熱片的溫度。大約 25 分鐘后溫度穩(wěn)定。由于在測量 25、30 和 35 分鐘后溫差很小，因此選擇 30 分鐘作為測量之間的最佳時間間隔。
表7.使用60mm散熱片時隨時間變化的溫度曲線
| 設(shè)置 #3 - 底面有60mm 散熱片 - Vin= 12 V，Vout = 5 V，Iout = 20A | ||
| 延時 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5 分鐘 | 44.7°C | 47.4°C |
| 10 分鐘 | 49.6°C | 52.7°C |
| 15 分鐘 | 52.7°C | 55.6°C |
| 20 分鐘 | 54.2°C | 57.6°C |
| 25 分鐘 | 54.7°C | 58.5°C |
| 30 分鐘 | 55.1°C | 58.7°C |
| 35 分鐘 | 55.3°C | 58.9°C |
之前的部分指出了高邊和低邊 MOSFET 的損耗之間的顯著差異。在 20.0 A 負(fù)載電流下，高邊 MOSFET 的功耗約為6.5W，而低邊 MOSFET 的功耗約為 0.7 W，基本上是前者的十分之一，因此可以假設(shè)高邊和低邊 MOSFET 之間的溫差也很大。但正如測量結(jié)果所示，事實并非如此，所有 MOSFET 的溫度都非常相似，偏差遠(yuǎn)低于 10%。
原因在于 PCB 的布局，它針對良好的導(dǎo)熱性和散熱性進(jìn)行了優(yōu)化。MOSFET 周圍的眾多過孔以及外層和內(nèi)層（四層PCB，35μm銅厚）上的大面積銅平面有效地分散了來自 MOSFET 的熱量，并將其散布在 PCB 內(nèi)。這會導(dǎo)致功耗極低的低邊 MOSFET 被高邊 MOSFET 加熱，而高邊 MOSFET 是電路板的主要熱源。高邊和低邊 MOSFET 之間的溫差表示不同的功率損耗水平。盡管如此，由于差異并不像預(yù)期的那么大，根據(jù)損耗估計，這表明 PCB 具有出色的熱性能。
測量值
設(shè)置#1 - 沒有散熱片
PCB 上沒有安裝散熱片，熱電偶使用導(dǎo)熱膠放置在一個高邊和一個低邊 MOSFET上，如圖 10 所示。該電路板具有 5A、10A、15A 和20A負(fù)載電流。在每個負(fù)載電流加載到電路板 20 分鐘后，數(shù)據(jù)記錄器會保存來自兩個熱電偶的溫度信息。
圖 10.設(shè)置 #1 - 無散熱片
表 8 顯示了四種不同輸出電流的測量結(jié)果。
表8.設(shè)置 #1-無散熱片
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 40.2°C | 42.1°C |
| 10.0 A | 49.2°C | 52.3°C |
| 15.0 A | 65.3°C | 70.6°C |
| 20.0 A | 83.4°C | 89.7°C |
圖11顯示了溫度的圖形表示。通常，高邊 MOSFET 比低邊 MOSFET 稍熱。隨著負(fù)載電流的增加，兩個 MOSFET 的溫度也會升高。從5.0A到20.0A，溫度的升高不是線性的，因為雖然開關(guān)損耗線性增加，但導(dǎo)通損耗不是線性增加
圖11. 設(shè)置#1 - 無散熱片
設(shè)置#2 - 頂面有散熱片
圖 12 顯示了在 PCB 頂面帶有散熱片的電路板。它被放置在高邊和低邊 MOSFET 的正上方，中間有一個間隙墊，以避免氣隙并補(bǔ)償任何粗糙度以最大限度地提高熱導(dǎo)率。使用 10mm、25mm 和 60mm 高度的鰭片散熱片進(jìn)行測量，每個負(fù)載電流之間有30分鐘的時間間隔，以了解熱導(dǎo)率和散熱的影響。如之前部分所述，散熱片使用螺釘和彈簧從PCB底面安裝。
圖12.設(shè)置#2 - 頂面有散熱片
將熱電偶放在 MOSFET 頂面會在安裝散熱片時形成不平整的表面；因此它們被放置在高邊和低邊 MOSFET 之間，如圖 13 所示。
圖13.熱電偶的放置
表9.設(shè)置#2 - 頂面有10mm散熱片
| 設(shè)置#2 - 頂面有10mm散熱片 - Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 37.0°C | 37.5°C |
| 10.0 A | 45.9°C | 46.0°C |
| 15.0 A | 58.0°C | 58.1°C |
| 20.0 A | 75.1°C | 75.2°C |
表10.設(shè)置#2 - 頂面有25mm散熱片
| 設(shè)置#2 - 頂面有25mm 散熱片 - Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 34.3°C | 35.2°C |
| 10.0 A | 40.0°C | 40.8°C |
| 15.0 A | 49.5°C | 50.9°C |
| 20.0 A | 61.0°C | 63.6°C |
表11.設(shè)置#2 - 頂面有60mm散熱片
| 設(shè)置#2 - 頂面有60mm 散熱片 - Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 34.1°C | 34.7°C |
| 10.0 A | 39.1°C | 40.2°C |
| 15.0 A | 45.7°C | 47.4°C |
| 20.0 A | 53.8°C | 57.1°C |
使用10mm散熱片時，高邊和低邊MOSFET之間的溫度差別不大。但是對于25mm和60mm的散熱片，可以觀察到高邊和低邊 MOSFET 之間微小但明顯的溫差。這種差異隨著散熱片的高度而增加。對該行為的解釋是較小的散熱片具有較低的質(zhì)量和較高的熱阻。這會導(dǎo)致散熱片熱飽和，并且，具有較高損耗的高邊 MOSFET 由于其出色的導(dǎo)熱性，會通過PCB加熱低邊 MOSFET。在沒有散熱片的情況下，在上一部分的測量中也可以看到這種效果（表 8）。
通過增加散熱片的高度和降低熱阻，由于散熱片更好的導(dǎo)熱性，可以減低一個 MOSFET 對另一個 MOSFET 的影響。熱量通過阻力最小的路徑（即散熱片），然后消散到環(huán)境中。如果沒有小型散熱片，熱量主要通過 PCB 散發(fā)，導(dǎo)致所有 MOSFET 的溫度相似，盡管功耗不同。
圖14和圖15顯示了散熱片的顯著影響，尤其是在較高負(fù)載電流下。與沒有散熱片的測量相比，帶有60mm散熱片的低邊MOSFET在20.0A負(fù)載電流下的溫度降低了大約 30°C。與沒有散熱片的測量相比，帶有60mm散熱片的高邊MOSFET的溫度降低了約 32°C。
對于 5.0 A 這樣的低負(fù)載電流，四種設(shè)置之間的熱差異相對較低，最大為 6°C，這使得因散熱片而增加額外成本值得商榷。
圖14. 設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度
圖15.設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度
圖16和圖17顯示了在不同負(fù)載電流下，具有不同散熱片的高邊和低邊 MOSFET 的溫度變化。與可見的10mm散熱片相比，使用60mm散熱片的溫度顯著降低。在20.0A負(fù)載電流下，可以注意到低邊 MOSFET 的溫度降低了大約 22°C，可以觀察到，相比于10mm散熱片，帶有25mm散熱片的低邊 MOSFET 溫度降低了大約 14°C。在較低的負(fù)載電流下也可以注意到類似的情況，但散熱片的影響并不那么明顯。
圖16.設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度變化
圖17.設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度變化
相同的測量結(jié)果顯示了在不同負(fù)載電流下，具有不同散熱片的高邊 MOSFET 的溫度變化。類似的結(jié)果也可以在這里看到：相比于10mm散熱片，帶60mm散熱片的高邊 MOSFET 在20.0A負(fù)載電流下溫度低約 18°C?？梢杂^察到，相比于10mm散熱片，帶有25mm散熱片的高邊 MOSFET 溫度大約降低12°C。
設(shè)置#3 - 底面有散熱片
電感器需要焊接在 PCB 的頂面，以便將散熱片安裝在底面。如圖 19 所示，熱電偶使用導(dǎo)熱膠粘在高邊和低邊 MOSFET 的頂面。散熱片使用與頂面安裝設(shè)置相同的彈簧和螺釘安裝在底面。此外，此配置在散熱片和電路板之間放置了一個間隙墊，以優(yōu)化熱界面。與上一部分類似，使用了三種不同的散熱片來分析熱性能。
圖18. 設(shè)置#3 - 底面有散熱片
圖19. 熱電偶的放置
表12.設(shè)置 #3 - 底面有10mm散熱片
| 設(shè)置#3 - 底面有 10 mm 散熱片- Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 37.3°C | 38.7°C |
| 10.0 A | 43.9°C | 47.2°C |
| 15.0 A | 53.9°C | 59.2°C |
| 20.0 A | 70.6°C | 77.7°C |
表13. 設(shè)置#3 - 底面有25mm散熱片
| 設(shè)置#3 - 底面有 25 mm 散熱片- Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 35.4°C | 36.1°C |
| 10.0 A | 39.9°C | 41.6°C |
| 15.0 A | 47.2°C | 50.0°C |
| 20.0 A | 60.2°C | 64.3°C |
表 14.設(shè)置#3 - 底面有60mm散熱片
| 設(shè)置#3 - 底面有 60 mm 散熱片 - Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0 A | 34.5°C | 34.9°C |
| 10.0 A | 39.2°C | 40.6°C |
| 15.0 A | 45.5°C | 48.0°C |
| 20.0 A | 54.8°C | 58.6°C |
對于所有三個散熱片，在給定的負(fù)載電流下，高邊 MOSFET 的升溫明顯比低邊 MOSFET 的升溫高。在之前的沒有散熱片和散熱片安裝在 PCB 頂面的測量中也有類似的情況。
圖20.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度
圖21.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度
圖20和21顯示了使用不同散熱片的低邊和高邊 MOSFET 的散熱效果比沒有使用散熱片的配置有所改善。在20.0A負(fù)載電流下，使用60mm散熱片的低邊 MOSFET 比沒有散熱片時的溫度低 29°C 左右。使用60mm散熱片的高邊 MOSFET 比沒有散熱片的溫度低約 31 °C。
與之前的測試設(shè)置類似，低負(fù)載電流下的溫差相對較小。
圖22.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度變化
圖23.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度變化
圖22和23顯示了在底面使用不同散熱片的高邊和低邊 MOSFET 的溫度變化。與之前在頂面具有散熱片的配置一樣，與10mm散熱片相比，具有 60mm散熱片的高邊 MOSFET 的溫度顯著降低了約19°C。對于低邊 MOSFET 也可以看到類似的情況。但25mm和60mm散熱片之間的溫差不如10mm和25mm之間的溫差顯著。此外，這種差異在較高負(fù)載電流時比在較低負(fù)載電流時更為重要。
下載ECAD模型
