技術(shù)分享 | 使用熱阻矩陣進(jìn)行LDO熱分析的指南

低壓降線性穩(wěn)壓器（LDO）因其工作原理，雖然能以低成本提供高電源質(zhì)量，但也會(huì)不可避免地產(chǎn)生損耗和發(fā)熱問(wèn)題。面對(duì)大壓降、大電流，LDO將長(zhǎng)時(shí)間處于較高的工作溫度范圍，可能影響其使用壽命和可靠性。因此，通過(guò)事先分析和評(píng)估LDO在特定工作環(huán)境下的溫度，并采取一定的措施，可以有效地避免芯片在長(zhǎng)時(shí)間的高溫下發(fā)生熱關(guān)斷和老化。

芯片的結(jié)溫主要取決于其功耗、散熱條件和環(huán)境溫度。因此，通過(guò)選擇不同的封裝版本來(lái)降低芯片的結(jié)與環(huán)境的熱阻，是一種降低結(jié)溫的有效解決方案。

目錄

1. 芯片熱阻介紹

2. 使用熱阻矩陣進(jìn)行熱分析

2.1. 對(duì)θ_JA的誤解

2.2. 理解Ψ_JC?& θ_JC

3. 在EVM板上進(jìn)行LDO結(jié)溫和熱阻測(cè)試

1. 芯片熱阻介紹

由于芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常通過(guò)仿真得到熱阻的理論計(jì)算值。而在芯片實(shí)際工程應(yīng)用中，工程師們將理論熱阻與實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題相結(jié)合，加以歸類，得出一些具有明顯物理意義的熱阻。下圖展示了芯片焊接在PCB上時(shí)的熱阻網(wǎng)絡(luò)。

圖1 芯片熱阻網(wǎng)絡(luò)

圖中，熱量從結(jié)向上通過(guò)封裝體傳遞到封裝外殼的頂部，它們之間的熱阻之和被稱為θ_JC(top)；熱量從結(jié)向下，通過(guò)粘合劑、引線框架基島傳遞到底部散熱焊盤，其熱阻之和被稱為θ_JB；此外，通過(guò)圖中所有材料和結(jié)構(gòu)，從結(jié)到外部環(huán)境的所有方向的熱量，所有路徑的整體熱阻被稱為θ_JA。

雖然這些熱阻可以通過(guò)建模仿真獲得，但由于存在制造誤差及其他原因，可能不甚準(zhǔn)確。因此，在工程實(shí)踐中，通常通過(guò)芯片發(fā)熱和溫差，來(lái)計(jì)算熱阻。熱阻的定義如下：

(1-1)

這意味著不論是減少芯片的發(fā)熱、改用散熱性能更好的大型封裝、增加散熱器和風(fēng)扇，還是改進(jìn)PCB的散熱設(shè)計(jì)，都可以減少芯片溫升。

2. 使用熱阻矩陣進(jìn)行熱分析
2.1. 對(duì)θ_JA的誤解

我們可以在芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）中找到一個(gè)熱阻信息矩陣，其中就包含了上述θ_JA和θ_JC(top)等參數(shù)。下表摘自NSR31系列LDO的數(shù)據(jù)手冊(cè)。NSR31完整版數(shù)據(jù)手冊(cè)官網(wǎng)鏈接：https://www.novosns.com/10v-low-consumption-ldo-685

表1 NSR31系列的熱阻信息

需要注意的是，許多工程師會(huì)使用θ_JA、環(huán)境溫度和芯片功耗，來(lái)計(jì)算結(jié)溫，但這可能會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差。
從上節(jié)圖1的θ_JA定義可以看出，其值不僅由芯片本身決定，還很大程度上取決于具體使用的PCB。不同的應(yīng)用PCB的散熱面積、層數(shù)、銅厚、板厚、材料、器件布局等方面各不相同，因此，θ_JA的值在不同的應(yīng)用PCB上會(huì)有很大差異。大多數(shù)工程師都很關(guān)注自己PCB上芯片的狀態(tài)。因此，在熱設(shè)計(jì)中不建議使用θ_JA，θ_JA的主要優(yōu)勢(shì)在于比較不同封裝類型的熱性能方面。

通常而言，幾乎所有芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中的θ_JA，都是使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)量或仿真而得的示例值。這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)被稱為JEDEC High-K或JEDEC Low-K板。此外，這些JEDEC 板僅由安裝在3"x3"板上的一個(gè)IC器件組成，與實(shí)際工程應(yīng)用中的PCB有顯著差異。

2.2. 理解Ψ_JC?& θ_JC

為了解決應(yīng)用端的實(shí)際問(wèn)題，表中還提供了熱特性參數(shù)Ψ。這是聯(lián)合電子器件工程委員會(huì)（JEDEC）在20世紀(jì)90年代定義的熱指標(biāo)。就評(píng)估現(xiàn)代封裝器件結(jié)溫而言，它是一個(gè)更為便利的指標(biāo)。Ψ代表的是結(jié)與參考點(diǎn)之間的溫差與芯片消耗的總功率的比值，它只是一個(gè)構(gòu)造出的參數(shù)。雖然其公式和單位（°C/W）與R_θ非常相似，但Ψ實(shí)際上并不是一個(gè)“熱阻”參數(shù)，其定義如下：

（2-1）

其中，Ψ_JC是結(jié)到殼的熱特性參數(shù)，T_JC是結(jié)到殼的溫差，P_D?是芯片的總耗散功率。因此，求T_J時(shí)，首先要測(cè)量外殼溫度T_C，計(jì)算芯片的總耗散功率P_D，再使用以下公式計(jì)算：

（2-2）

其中，Ψ_JC可以通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱阻信息矩陣獲取。當(dāng)芯片外部散熱條件固定時(shí)，Ψ_JC與θ_JC成正比。與不同應(yīng)用端差異很大的θ_JA相比，雖然Ψ_JC也受到PCB散熱能力的影響，但我們可以近似地認(rèn)為，在大多數(shù)應(yīng)用中，該影響并不顯著。具體原因如下。

公式（2-2）可以進(jìn)一步寫(xiě)為：

（2-3）

式中：P_C是從結(jié)向上通過(guò)封裝體傳遞到封裝外殼頂部的熱功率。由此可得：

（2-4）

即Ψ_JC與θ_JA成正比，其值為從結(jié)到殼頂部的熱功率與芯片總耗散功率的比值。

圖2 芯片熱阻網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖

如圖2所示，根據(jù)熱阻網(wǎng)絡(luò)的“并聯(lián)電阻分流公式”關(guān)系，功率比相當(dāng)于熱阻比的倒數(shù)：

（2-5）

式中：θ_CA為殼到環(huán)境的熱阻。當(dāng)沒(méi)有在芯片表面安裝散熱器時(shí)，θ_CA遠(yuǎn)大于θ_JC。由此可得，Ψ_JC小于θ_JA，因此，在工程上的實(shí)際PCB中，使用Ψ_JC估算結(jié)溫的誤差，遠(yuǎn)小于使用θ_JA來(lái)估算的誤差。

3. 在EVM板上進(jìn)行LDO結(jié)溫和熱阻測(cè)試
由于集成電路外部被塑封料（mold compound）包裹，結(jié)沒(méi)有暴露在外，因此我們無(wú)法通過(guò)熱電偶或紅外溫度計(jì)，直接測(cè)量芯片內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的溫度。對(duì)于許多大型封裝集成電路，例如CPU或GPU，通常會(huì)集成一個(gè)熱傳感器，用于測(cè)量T_J。但對(duì)于小型封裝集成電路，由于受到尺寸和成本的限制，大都沒(méi)有這種T_J傳感器的功能。因此，我們必須通過(guò)測(cè)試和熱分析來(lái)估算T_J。
NSR31/33/35系列LDO有8種封裝，具體信息如表2所示。采用不同封裝的各類熱阻已在芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的熱阻矩陣中標(biāo)明。其信息概述如下。

表2 NSR3x?系列的熱阻信息

(1)?熱數(shù)據(jù)基于：JEDEC標(biāo)準(zhǔn)高K型材、JESD 51-7、四層板。

表2中所有參數(shù)均根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)獲得。通過(guò)表θ_JA比較可知，SOT-23-5L封裝的散熱性能最差，TO263-5封裝的散熱性能最好。當(dāng)需要獲取LDO在特定應(yīng)用電路板上的結(jié)溫時(shí)，可以使用公式（2-2）：

式中：（3-1）

式中：V_IN代表LDO輸入電壓，V_OUT代表LDO輸出電壓，I_OUT代表LDO輸出電流。

接下來(lái)以NSR31050-QSTAR為例，在EVM板上測(cè)量和計(jì)算其結(jié)溫和實(shí)際熱阻θ'_JA，以供參考。具體來(lái)說(shuō)，EVM板采用四層設(shè)計(jì)（88mm x 53mm），銅厚為1盎司，總散熱面積約為4600平方毫米，如圖3所示。

圖3 NSR31050-QSTAR EVM板

在室溫通風(fēng)恒定的情況下，通過(guò)給LDO施加一定的電壓和負(fù)載，可以將其功耗從0W增加到接近熱關(guān)斷。在不同功耗設(shè)置下，讓芯片工作5分鐘溫度穩(wěn)定后，使用手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)量芯片頂殼的溫度。利用環(huán)境溫度、殼溫、功耗和Ψ_JC的公式，來(lái)對(duì)EVM板上芯片的結(jié)溫和熱阻?θ'_JA進(jìn)行估算。結(jié)果如表3所示。

表3 NSR3x系列的熱信息

圖4 部分殼溫的紅外測(cè)量結(jié)果

從表3可以看出，在此EVM板上，測(cè)得的結(jié)到環(huán)境的熱阻θ'_JA約為 77.5°C/W，遠(yuǎn)低于JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的207.9°C/W。

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中，芯片存在多種熱傳導(dǎo)途徑，熱量亦通過(guò)多個(gè)通道傳遞。我們很難像估算總功耗一樣，準(zhǔn)確得到由特定途徑傳導(dǎo)的功耗。因此，熱特性參數(shù)Ψ_JC更適合用于估算結(jié)溫，利用熱特性參數(shù)Ψ_JC，同時(shí)結(jié)合公式（3-1）來(lái)估算結(jié)溫更為準(zhǔn)確和嚴(yán)謹(jǐn)。