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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，車輛內的電子控制單元（ECU）數(shù)量急劇增加。其中涵蓋了諸多應用，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)應用和操作范圍，預調節(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）的相關性。
之前我們分享了高功率降壓轉換的散熱評估測試原理概述，對比了三種不同配置下電路板熱性能。今天將為大家重點介紹在設計高輸出功率預調節(jié)器時使用散熱片的效果。
有無散熱片比較
圖24和25顯示了在沒有和有頂面散熱片的情況下MOSFET的溫度變化。在較高電流下，沒有散熱片的低邊MOSFET比帶有頂面散熱片的 MOSFET 更熱。低邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低30°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，帶有25mm散熱片的MOSFET的溫度降低了22°C。
圖24.帶和不帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度變化
高邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低33°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，使用25mm散熱片時，MOSFET 的溫度降低了26°C。
圖25.帶和不帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度變化
圖26和27顯示了在沒有和有底面散熱片的情況下MOSFET的溫度變化。在較高電流下，沒有散熱片的低邊MOSFET比有底面散熱片的MOSFET更熱。低邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低29°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，帶有25mm散熱片的 MOSFET 的溫度降低了23°C。
圖26.帶和不帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度變化
高邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低31°C。同樣，與沒有散熱片相比，具有25mm散熱片的MOSFET的溫度降低了25°C。
圖27.帶和不帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度變化
間隙墊的影響
對于60mm散熱片，下面的測量結果是在20.0A負載電流下使用3W/(m·K)和6W/(m·K)間隙墊記錄的，以了解間隙墊厚度對熱性能的影響。兩種不同的間隙墊是KERAFOL 86/300 SOFTTHERM和86/600 SOFTTHERM，如本白皮書開頭的表2所示。
使用頂面散熱片的情況下，當間隙墊從3W/(m·K)改為6W/(m·K)時（熱阻約為原來的一半），觀察到低邊 MOSFET 的溫度降低了1.6%，高邊MOSFET的溫度降低了3.5%（表 15）。
表15.? 帶頂面散熱片的間隙墊
| 頂面有60mm散熱片 - Vin=12V，Vout=5V，Iout=20A | |||
| 3W/(m·K) | 6W/(m·K) | 差異 | |
| 低邊 MOSFET 溫度 | 53.8°C | 52.9°C | -1.6% |
| 高邊 MOSFET 溫度 | 57.1 °C | 55.1°C | -3.5% |
使用底面散熱片的情況下，測得低邊MOSFET的溫度降低約7.6%，高邊MOSFET的溫度降低約6.6%（表 16）。
表16.? 帶底面散熱片的間隙墊
| 底面有60mm散熱片 - Vin=12V，Vout=5V，Iout=20A | |||
| 3 W/(m·K) | 6 W/(m·K) | 差異 | |
| 低邊 MOSFET 溫度 | 54.8°C | 50.6°C | -7.6% |
| 高邊 MOSFET 溫度 | 58.6°C | 54.7°C | -6.6% |
頂面裸露焊盤與底面裸露焊盤
正如突出顯示的那樣，PCB針對良好的導熱性和散熱性進行了優(yōu)化，可作為MOSFET的非常有效的散熱片。在存在多個熱源且PCB的散熱能力有限的實際應用中，這種方法通常不可取。首選的散熱方法是通過與PCB熱連接的ECU外殼進行散熱。采用“頂面散熱”封裝的MOSFET可實現(xiàn)熱源 (MOSFET) 和散熱片（外殼）之間的最低熱阻，允許頂面MOSFET的裸露焊盤與散熱片之間的直接熱連接，同時最大限度地減少熱量流入PCB。
需要具有相同管芯但不同封裝的MOSFET來直接比較它們的熱性能。之前的所有測量均使用NVMFS5C460NL，但此MOSFET在“頂面散熱”封裝變體中不可用。所以NVMFS5C450N（SO-8FL底面裸露焊盤）和 NVMJST3D3N04C（“頂面散熱”封裝，頂面裸露焊盤）被選擇用于以下測量。
NVMJST3D3N04C僅作為標準級器件提供，而NVMFS5C460NL是邏輯級器件。在這種應用中，標準級器件的效率預計會略低于邏輯級器件。盡管如此，由于損耗并不大，因此只能比較熱性能、NVMFS5C450N和NVMJST3D3N04C的差異。
表17.? 封裝概覽
SO-8FL中NVMFS5C450N頂面的塑料表面積為31.7mm2，與LFPAK10 TC中NVMJST3D3N04C底面的塑料表面 (27.0mm2) 相比稍大.兩種器件的裸露焊盤大小大致相同。
高度為25mm的散熱片用于以下測量，以避免散熱片的任何限制并最大限度地提高熱性能以優(yōu)化加熱時的任何差異。
底面裸露焊盤MOSFET測量?(NVMFS5C450N)
表18和19顯示了帶和不帶散熱片的高邊和低邊MOSFET (NVMFS5C450N) 的溫度。散熱片安裝在MOSFET的頂面（塑料外殼）。
表18.? NVMFS5C450N-無散熱片
| NVMFS5C450N-無散熱片 - Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊 MOSFET 溫度 | 高邊 MOSFET 溫度 |
| 5.0A | 46.3°C | 50.2°C |
| 10.0A | 65.9°C | 69.6°C |
| 15.0A | 86.3°C | 88.4°C |
| 20.0A | 109.4°C | 109.6°C |
表19.? NVMFS5C450N-頂面有25mm散熱片
| NVMFS5C450N - 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 |
| 5.0A | 40.0°C | 41.9°C |
| 10.0A | 47.9°C | 50.8°C |
| 15.0A | 58.7°C | 62.0°C |
| 20.0A | 69.5°C | 73.0°C |
圖28.NVMFS5C450N-帶和不帶散熱片的低邊MOSFET溫度
圖29. NVMFS5C450N-帶和不帶散熱片的高邊MOSFET溫度
圖28和29顯示了使用安裝在MOSFET塑料頂面上的散熱片改善低邊和高邊MOSFET的散熱效果。
在5.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約6°C，而高邊MOSFET的溫度低約8°C。而在20.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約40°C，而高邊MOSFET的溫度低約37°C。
兩項測量的熱性能均在預期范圍內，散熱片可顯著降低MOSFET溫度。通常，由于柵極電荷較高，因此NVMFS5C450N的開關速度較慢，因此溫度高于之前使用NVMFS5C460NL進行的測量結果。甚至導通電阻也略低。
頂面裸露焊盤MOSFET測量?(NVMJST3D3N04C)
表20和21顯示了帶和不帶散熱片的高邊和低邊MOSFET (NVMJST3D3N04C)的溫度。散熱片安裝在MOSFET的頂面（裸露焊盤）。
表20.? NVMJST3D3N04C-無散熱片
| NVMJST3D3N04C-無散熱片-Vin=12V，Vout=5V | ||
| 輸出電流 | 低邊MOSFET溫度 | 高邊MOSFET溫度 |
| 5.0A | 45.2°C | 47.1°C |
| 10.0A | 60.5°C | 61.0°C |
| 15.0A | 82.7°C | 78.4°C |
| 20.0A | 113.1°C | 103.7°C |
表21.? NVMJST3D3N04C-頂面有25mm散熱片
| NVMJST3D3N04C-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 |
| 5.0A | 37.6°C | 37.1°C |
| 10.0A | 49.7°C | 48.3°C |
| 15.0A | 61.3°C | 57.0°C |
| 20.0A | 73.5°C | 66.9°C |
圖30. NVMJST3D3N04C-帶和不帶散熱片的低邊MOSFET溫度
圖31.NVMJST3D3N04C-帶和不帶散熱片的高邊MOSFET溫度
圖30和31顯示了使用安裝在MOSFET頂面裸露焊盤上的散熱片改善低邊和高邊MOSFET的散熱效果。
在5.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約8°C，而高邊MOSFET的溫度低約10°C。而在20.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約40°C，而高邊MOSFET的溫度低約37°C。
此外，在此測量中，熱性能符合預期。由于NVMJST3D3N04C和NVMFS5C450N使用相同的管芯，損耗和發(fā)熱高于之前使用NVMFS5C460NL的測量值，這是由于更高的柵極充電器導致開關損耗更高。
底面和頂面裸露焊盤之間的比較
圖32比較了底面 (NVMFS5C450N) 和頂面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盤的低邊MOSFET溫度，頂面有散熱片。
圖32.NVMFS5C450N與NVMJST3D3N04C-低邊MOSFET溫度（帶散熱片）
圖33比較了底面 (NVMFS5C450N) 和頂面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盤的高邊MOSFET溫度，頂面有散熱片。
圖33.NVMFS5C450N與NVMJST3D3N04C-高邊MOSFET溫度（帶散熱片）
通常，此特定PCB和設置的熱性能非常相似，與是否使用帶有底面或頂面裸露焊盤的MOSFET以及MOSFET封裝頂面的散熱片無關。對于低邊MOSFET，底面裸露焊盤封裝的性能略好于頂面裸露焊盤，對于高邊MOSFET，反之亦然。
對于帶有底面裸露焊盤的MOSFET，大量熱量流入PCB，優(yōu)化為有效的散熱片。MOSFET頂面塑料表面上的散熱片也有助于降低MOSFET溫度。
頂面裸露焊盤的MOSFET在PCB和底面塑料表面之間的熱耦合相對較差。但是，焊接到PCB上的引線也會讓熱量流入PCB。MOSFET頂面的裸露焊盤連接到散熱片并有效地散發(fā)熱量。
兩種配置都通過MOSFET封裝的底面和頂面進行散熱。對于底面裸露封裝，MOSFET和PCB之間的熱阻比MOSFET和散熱片之間的熱阻更低。對于頂面裸露封裝，反之亦然；MOSFET和散熱片之間的熱阻較低。這導致使用完全不同的配置可以實現(xiàn)相似的熱性能，并且可以為兩種類型的封裝實施有效的散熱。
結論
不同的測量結果和對比顯示了連接到電源的散熱片對MOSFET溫度的影響。根據(jù)結果，可以得出以下結論對給定設置有效：
如果使用具有底面裸露焊盤的MOSFET，同時使用經(jīng)過熱優(yōu)化的PCB進行導熱和散熱，則散熱片無論是安裝 PCB的底面還是MOSFET的頂面，MOSFET溫度之間的差異僅為不到3°C。
MOSFET溫度取決于散熱片尺寸。
在20.0A負載電流下，與沒有任何散熱片的設置相比，使用60mm散熱片的MOSFET溫度大約低30°C。
與沒有任何散熱片的設置相比，使用25mm散熱片時，MOSFET的溫度大約降低15至20°C。
使用10mm散熱片時，MOSFET的溫度比沒有任何散熱片的設置低10°C。
該溫度變化與三個散熱片的熱阻成正比。它還表明，如果使用熱優(yōu)化的PCB布局，散熱片需要一定的質量和導熱性才能顯著降低溫度。
25mm和60mm散熱片在20.0A負載電流下的MOSFET溫度差異為6°C，低于最初預期。
在不超過15.0A負載電流的情況下，25mm和60mm散熱片之間的MOSFET溫差相對較低，只有2°C左右。負載電流高于15.0A時，溫差最大增加約6°C。
這表明需要擇優(yōu)選擇散熱片，以更好地兼顧成本和散熱性能的改善。
具有頂面裸露焊盤和散熱片的MOSFET可實現(xiàn)與底面裸露焊盤安裝在經(jīng)過熱優(yōu)化的PCB上且散熱片位于封裝頂面的MOSFET類似的熱性能。如果要盡量減少流入PCB的熱量，則帶有頂面裸露焊盤的MOSFET是正確的選擇，因為它們對安裝在封裝頂面的散熱片具有最小的熱阻。
所有測量都是一致的、可重復的，并且符合一般的理論預期。這證明電氣和機械設置都運行正常且可靠。
當然，該測試裝置與實際應用相去甚遠，比如在帶有散熱片的定制鋁外殼內部，電源屬于復雜ECU的一部分。但是，它解釋了不同參數(shù)的影響，例如散熱片的熱阻或間隙墊厚度對MOSFET溫度的影響。它還清楚地表明，將散熱片安裝在熱源頂面（本例中為MOSFET）或PCB的另一面（假設PCB布局經(jīng)過熱優(yōu)化，所有層上都有散熱孔和更大的銅面積，以允許散熱流過PCB）可以達到類似的性能。
如果要盡量減少流入PCB的熱量，則應使用頂面裸露焊盤連接到散熱片的MOSFET。
