夏日炎炎,電路散熱技巧你都Get到?jīng)]有?
發(fā)布時(shí)間:2019-06-18 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】出于可靠性原因,處理大功率的集成電路越來越需要達(dá)到熱管理要求。所有半導(dǎo)體都針對(duì)結(jié)溫(TJ)規(guī)定了安全上限,通常為150°C(有時(shí)為175°C)。與最大電源電壓一樣,最大結(jié)溫是一種最差情況限制,不得超過此值。在保守設(shè)計(jì)中,一般留有充分的安全裕量。請(qǐng)注意,這一點(diǎn)至關(guān)重要,因?yàn)榘雽?dǎo)體的壽命與工作結(jié)溫成反比。簡(jiǎn)單而言,IC溫度越低,越有可能達(dá)到最長(zhǎng)壽命。
這種功率和溫度限制是很重要的,典型的數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有描述,如圖1所示。圖中所示為一款8引腳SOIC器件AD8017AR。
圖1:AD8017AR(ADI散熱增強(qiáng)型SOIC封裝
與這些聲明相關(guān)的是一些工作條件,比如器件功耗、印刷電路板(PCB)的封裝安裝細(xì)則等。對(duì)于AD8017AR,其在25°C的環(huán)境溫度下的額定功耗為1.3W。其假設(shè)是8引腳SOIC封裝配合的是一塊雙層PCB板,以大約4 in2 (~2500 mm2 )的2盎司銅實(shí)現(xiàn)散熱。下面將預(yù)測(cè)該器件在其他條件下的安全工作情況。
散熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
一般用符號(hào)θ來表示熱阻。熱阻的單位為°C/W。除非另有說明,熱阻指熱量在從熱IC結(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)至環(huán)境空氣時(shí)遇到的阻力。也可更具體地表示為θJA,即結(jié)至環(huán)境熱阻。θJC和θCA是θ的兩種其他形式,詳見下文。
一般地,熱阻θ等于100°C/W的器件在1W功耗下將表現(xiàn)出100°C的溫差,該值在兩個(gè)參照點(diǎn)之間測(cè)得。請(qǐng)注意,這是一種線性關(guān)系,因此,在該器件中,1W的功耗將產(chǎn)生100°C的 溫差(如此等等,不一而足)。對(duì)于AD8017AR,θ約為95°C/W,因此,1.3W的功耗將產(chǎn)生大約124°C結(jié)至環(huán)境溫差。當(dāng)然,預(yù)測(cè)內(nèi)部溫度時(shí)使用的正是這種溫度的上升,其目的是判斷設(shè)計(jì)的熱可靠性。當(dāng)環(huán)境溫度為25°C時(shí),允許約150°C的內(nèi)部結(jié)溫。實(shí)際上,多數(shù)環(huán)境溫度都在25°C以上,因此,可以處理的功耗會(huì)稍低。
對(duì)于任意功耗P(單位:W),都可以用以下等式來計(jì)算有效溫差(ΔT)(單位:°C):
其中,θ為總適用熱阻。圖2總結(jié)了一些基本的熱關(guān)系。
圖2:基本熱關(guān)系
請(qǐng)注意,串行熱阻(如右側(cè)的兩個(gè)熱阻)模擬的是一個(gè)器件可能遇到的總熱阻路徑。因此,在計(jì)算時(shí),總θ為兩個(gè)熱阻之和,即θJA=θJC+θCA。給定環(huán)境溫度TA、P和θ,即可算出TJ。根據(jù)圖中所示關(guān)系,要維持一個(gè)低的TJ,必須使θ或功耗(或者二者同時(shí))較低。低ΔT是延長(zhǎng)半導(dǎo)體壽命的關(guān)鍵,因?yàn)?,?Delta;T可以降低最大結(jié)溫。
在IC中,一個(gè)溫度參照點(diǎn)始終是器件的一個(gè)節(jié)點(diǎn),即工作于給定封裝中的芯片內(nèi)部最熱的點(diǎn)。其他相關(guān)參照點(diǎn)為TC(器件)或TA(周圍空氣)。結(jié)果又引出了前面提到的各個(gè)熱阻,即θJC和θJA。
先來看看最簡(jiǎn)單的情況,θJA為在給定器件的結(jié)與環(huán)境空氣之間測(cè)得的熱阻。該熱阻通常適用于小型、功耗相對(duì)較低的IC(如運(yùn)算放大器),其功耗往往為1W或以下。一般而言,對(duì)于8引腳DIP塑封或者更優(yōu)秀的SOIC封裝,運(yùn)算放大器以及其他小型器件的典型θJA值處于90-100°C/W水平。
需要明確的是,這些熱阻在很大程度上取決于封裝,因?yàn)椴煌牟牧蠐碛胁煌降膶?dǎo)熱性。一般而言,導(dǎo)體的熱阻類似于電阻,銅最好,其次是鋁、鋼等。因此,銅引腳架構(gòu)封裝具有最高的性能,即最低的θ。
散 熱
根據(jù)定義,散熱器是附加于IC之上的一種額外低熱阻器件,其作用是輔助散熱。散熱器具有自己的熱阻,表示為θCA,單位為°C/W。然而,當(dāng)今的多數(shù)運(yùn)算放大器在安裝散熱器時(shí)相當(dāng)麻煩(較老的TO-99金屬帽殼型封裝除外)。考慮了散熱器安裝的器件具有明顯的特征,其θJC遠(yuǎn)低于θJA。這種情況下,θ將由一個(gè)以上的組分構(gòu)成。熱阻采用加法即可,結(jié)果使凈值計(jì)算變得相對(duì)簡(jiǎn)單。例如,在給定相關(guān)θJC時(shí),要計(jì)算凈θJA,只需將散熱器的熱阻θCA或者殼到環(huán)境熱阻與θJC相加即可:
結(jié)果得到針對(duì)具體環(huán)境的θJA。
然而更廣泛地講,現(xiàn)代IC并不使用市場(chǎng)上有售的散熱器。相反,在需要消耗大量功率時(shí)(比如≥1W),以低熱阻銅PCB走線作為散熱器。在這種情況下,制造商提供的對(duì)散熱最有用的加工數(shù)據(jù)是示例PCB布局的邊界條件以及這些條件下產(chǎn)生的θJA。如前所述,這是針對(duì) AD8017AR提供的具體信息。通過這種方式,展示此類條件下熱關(guān)系的示例數(shù)據(jù)如圖3所示。這些數(shù)據(jù)適用于裝有一個(gè)散熱器的AD8017AR,該散熱器的面積約為4平方英寸,采用一塊雙層2盎司銅PCB板。
圖3:AD8017AR運(yùn)算放大器的熱額定曲線
這些曲線展示的是AD8017在最大結(jié)溫150°C和125°C下的最大功耗與溫度特性之間的關(guān)系。這種曲線通常稱為減額曲線,因?yàn)?,容許功耗隨環(huán)境溫度而下降。
AD8017AR采用的是ADI專有的散熱增強(qiáng)型(Termal Coastline)IC封裝,在不增加SO-8封裝尺寸的情況下允許消耗更多的功率。對(duì)于150°C的TJ(max),上部曲線顯示的是該封裝的容許功耗,在25°C的環(huán)境溫度下為1.3W。如果使用更保守的125°CTJ(max),則適用兩條曲線中的下部曲線。
圖4展示了8引腳標(biāo)準(zhǔn)SOIC封裝與ADI散熱增強(qiáng)型封裝的性能比較結(jié)果。請(qǐng)注意,散熱增強(qiáng)型封裝在25°C下的容許功耗為1.3W,而標(biāo)準(zhǔn)封裝僅為0.8W。在散熱增強(qiáng)型封裝中,熱傳導(dǎo)增強(qiáng)了,這正是封裝θJA較低的原因所在。
圖4:標(biāo)準(zhǔn)(下)和ADI散熱增強(qiáng)型(上)8引腳SOIC封裝的熱額定曲線
甚至可以支持更高的功耗,因?yàn)槭褂肐C封裝后,可以增進(jìn)從芯片到PCB板的熱傳導(dǎo)。其中一個(gè)示例是AD8016ADSL線路驅(qū)動(dòng)器件,該器件提供兩種封裝選項(xiàng),25°C下的額定功耗分別為5.5W和3.5W,如圖5所示。
圖5:AD8016 BATWING(下)和PSOP3(上封裝的熱特性曲線(其中,TJ(Max)=125°C)
以額定功耗較高的AD8016ARP PSOP3封裝為例,當(dāng)搭配一個(gè)10in2、1盎司散熱層時(shí),該組合可以在70°C的環(huán)境溫度下處理最高3W的功耗,如圖中的上部曲線所示。這相當(dāng)于18°C/W的θJA,這種情況下,該值適用于125°C的最大結(jié)溫。
PSOP3版的AD8016之所以具有如此出色的功耗處理能力是因?yàn)椴捎昧艘粔K大面積銅片。在內(nèi)部,IC芯片直接置于銅片上,底部表面裸露情況如圖6所示。其目的是將該表面直接焊接到PCB板上的一個(gè)銅層上,從而擴(kuò)大散熱面。
圖6:AD8016 20引腳PSOP3封裝的底視輔助散熱銅片(中心的灰色區(qū)域)
AD8016的兩種封裝選項(xiàng)均有靜止空氣和流動(dòng)空氣兩種特性,但是,上面給出的熱數(shù)據(jù)適用于不使用定向氣流的情況。因此,增加氣流會(huì)進(jìn)一步降低熱阻(見參考文獻(xiàn)2)。
為了設(shè)計(jì)出可靠的低熱阻運(yùn)算放大器,以下列出幾條設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)??筛鶕?jù)實(shí)際情況,考慮所有要點(diǎn)。
1. 對(duì)于PCB散熱器,要使用面積盡量大的銅片,以“效益遞減”點(diǎn)為度。
2. 與1相結(jié)合,要使用多個(gè)(外部)PCB層,用多個(gè)過孔連接起來。
3. 根據(jù)實(shí)際情況盡量使用質(zhì)量較重的銅(最好是2盎司或以上)。
4. 在系統(tǒng)中提供充足的天然通風(fēng)出入口,以便熱能從熱的PCB表面自由散開。
5. 使功耗消散PCB層垂直朝向,促進(jìn)散熱器區(qū)域的氣流對(duì)流。
6. 針對(duì)精密運(yùn)算放大器應(yīng)用,考慮使用外部功率緩沖級(jí)。
7. 對(duì)于需要在有限空間下耗散數(shù)瓦特的情況,考慮使用強(qiáng)制通風(fēng)方法。
8. 不要在散熱走線上覆蓋阻焊層。
9. 不要在供電IC上使用過大的電源電壓。
多數(shù)情況下,以上各項(xiàng)都是顯而易見的。然而,第9項(xiàng)卻需要稍加說明。每當(dāng)應(yīng)用只需要適中的電壓擺幅時(shí)(如標(biāo)準(zhǔn)視頻、2Vp-p),通常可以使用寬電源電壓范圍。但是,如圖7中的數(shù)據(jù)所表明的那樣,在較高的電源電壓下,運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的IC功耗,即使負(fù)載功率恒定不變亦是如此。
圖7:視頻運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器在各種電源電壓、低電壓輸出擺幅下的功耗
在這種情況下,只要應(yīng)用的失真性能不惡化,就應(yīng)該為IC提供較低的電壓,如±5V而非±15V。以上示例數(shù)據(jù)是以直流為基礎(chǔ)計(jì)算所得,與正弦波或噪聲類波形(如DMT信號(hào))相比,直流會(huì)增加驅(qū)動(dòng)器的功耗(見參考文獻(xiàn)2)。一般原則仍然適用于這些交流波形,換言之,當(dāng)負(fù)載電流高、電壓低時(shí),運(yùn)算放大器的功耗就高。
雖然上述AD8016和AD8017兩款散熱增強(qiáng)型封裝有較大的機(jī)會(huì)處理高功耗,但日益流行的小型IC封裝實(shí)際上卻朝著相反的方向發(fā)展。毫無疑問,當(dāng)今的小型封裝確實(shí)會(huì)犧牲較大散熱性能。但是必須了解的是,這是為了縮小運(yùn)算放大器封裝的尺寸,最終是為提高整個(gè)系統(tǒng)的PCB板密度。
這幾點(diǎn)反映在AD8057和AD8058系列單通道和雙通道運(yùn)算放大器的熱額定值中,如圖8所示。AD8057和AD8058運(yùn)算放大器提供三種不同的封裝,分別為SOT-23-5、8引腳μSOIC以及標(biāo)準(zhǔn)SOIC封裝。
Figure 8: Comparative Thermal Performance for Several AD8057/58 Op Amp Package Options
如數(shù)據(jù)所示,隨著封裝尺寸的縮小,能夠消散的功率也會(huì)顯著減少。對(duì)于此類微型封裝來 說,由于引腳架構(gòu)是唯一的散熱通道,因而其熱性能會(huì)下降。上述封裝的θJA分別為240°C/W、200°C/W和160°C/W。請(qǐng)注意,這是封裝限制,而非器件限制。采用相同封裝的其他IC具有類似特性。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器散熱考慮
表面上看,我們可能會(huì)假定,ADC或DAC的功耗在既定電源電壓會(huì)保持不變。然而,許多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(尤其是CMOS類)的功耗高度依賴于輸出數(shù)據(jù)負(fù)載和采樣時(shí)鐘頻率。由于許多新型高速轉(zhuǎn)換器在最差工作條件下可能消耗最多1.5W至2W的功率,因此,我們必須清楚地了解這一點(diǎn),以確保安裝封裝時(shí),使最高預(yù)期工作溫度下的結(jié)溫保持于可接受限值之內(nèi)。
指南MT-031談到接地強(qiáng)調(diào)稱,高性能ADC(尤其是帶有并行輸出者)的數(shù)字輸出的負(fù)載不宜過大(5-10pF),以防止數(shù)字瞬變電流導(dǎo)致SNR和SFDR下降。然而,即使在小輸出負(fù)載下,多數(shù)CMOS和BiCMOS ADC的功耗也仍然是采樣時(shí)鐘頻率的函數(shù),有時(shí)則為模擬輸入頻率和幅度的函數(shù)。
例如,圖9展示了AD9245 14位、80MSPS、3 VCMOS ADC在數(shù)據(jù)線路的模擬輸入為2.5MHz且輸出負(fù)載為5pF時(shí),功耗與頻率之間的關(guān)系。圖中分別展示了數(shù)字和模擬電源電流以及總功耗。請(qǐng)注意,當(dāng)采樣頻率在10MSPS與80MSPS之間變化時(shí),總功耗可能在310mW至380mW范圍內(nèi)變化。
圖9:AD9245 14位、80 MSPS、3 V CMOS ADC 功耗與采樣速率的關(guān)系(輸入為2.5 MHz;輸出負(fù)載為5 pF)
AD9245采用32引腳無鉛芯片級(jí)封裝,如圖10所示。封裝的底視圖顯示的是裸露的焊盤,該焊盤應(yīng)焊接到PC板的接地層以獲得最佳的熱傳導(dǎo)效果。最差情況封裝結(jié)至環(huán)境熱阻θJA的額定值為32.5°C/W當(dāng)功耗為380mW時(shí),結(jié)溫將比環(huán)境溫度高32.5°C×0.38=12.3°C。當(dāng)最高工作溫度為+85°C時(shí),結(jié)溫為85°C+12.3°C=97.3°C。
圖10:AD9245 CP-32引腳架構(gòu)芯片級(jí)封裝(LFCSP)
AD9430是一款高性能12位、170/210MSPS 3.3V BiCMOS ADC。有兩種輸出模式可用:雙通道105MSPS解復(fù)用CMOS輸出和210MSPS LVDS輸出。功耗為采樣頻率的函數(shù),如圖11所示。其中展示了CMOS和LVDS模式下當(dāng)模擬輸入頻率為10.3MHz時(shí)的模擬和數(shù)字電源電流。請(qǐng)注意,在LVDS模式下,當(dāng)采樣頻率為210MSPS時(shí),總電源電流約為455mA——總功耗為1.5W。
圖11:AD9430 12位170 /210 MSPS ADC電源電流與采樣速率的關(guān)系(輸入頻率為10.3 MHz
AD9430采用100引腳薄型塑封四方扁平封裝,帶一個(gè)裸露焊盤(TQFP/EP),如圖12所示。 導(dǎo)電焊盤與芯片接地面相連,應(yīng)焊接到PC板接地層。當(dāng)焊接到接地層時(shí),該封裝在靜止空氣中的θJA為25°C/W。結(jié)果,當(dāng)功耗為1.5W時(shí),結(jié)溫將比環(huán)境溫度高25°C×1.5=37.5°C。當(dāng)最高工作溫度為+85°C時(shí),結(jié)溫為85°C+37.5℃=122.5℃。
圖12:AD9430 100引腳e-PAD TQFP
AD6645是一款高性能14位、80/105MSPS ADC,采用高速互補(bǔ)雙極性工藝(XFCB)制成, 具有較高的SFDR(89dBc)和SNR(75dB)。盡管其功耗(為采樣頻率的函數(shù))變化不大,該器件的最大功耗為1.75W。采用的是散熱增強(qiáng)型52引腳PowerQuad 4®封裝,帶一個(gè)裸露焊盤,如圖13所示。
圖13:AD6645 52引腳Power-Quad 4 (LQFP_ED) (SQ-52) 散熱增強(qiáng)型封裝(底視圖)
建議把裸露的中央散熱器焊接到PC板接地層上,以使封裝在靜止空氣中的θJA減至 23°C/W。對(duì)于1.75W的功耗,結(jié)溫將比環(huán)境溫度高23°C×1.75=40.3°C。當(dāng)最高工作溫度 為+85°C,結(jié)溫為85°C+40.3°C=125.3°C??梢杂?00LFPM的氣流使封裝的熱阻降至17°C/W,從而使結(jié)溫降至比環(huán)境溫度高30°C的水平。換言之,對(duì)于+85°C的工作環(huán)境溫度,結(jié)溫為115°C。
高速CMOS DAC(如TxDAC®系列)和DDS IC(如AD985x系列)的功耗同樣取決于時(shí)鐘速率。例如,對(duì)于AD9777 16位、160MSPS雙通道插值DAC,其功耗為時(shí)鐘速率、輸出頻率以及PLL和調(diào)制功能使能這三個(gè)因素的函數(shù)。采用3.3V電源時(shí),其功耗范圍為380mW(fDAC=100MSPS,fOUT=1MHz,無插值,無調(diào)制)至1.75W(fDAC=400MSPS,fDATA= 50MHz,fs/2調(diào)制,PLL使能)。系列中的這些器件以及類似器件同時(shí)提供散熱增強(qiáng)型封裝,搭載一個(gè)需要焊接到PC板接地層的裸露焊盤。
總 結(jié)
本文討論了運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的散熱應(yīng)用問題,但并未涉及夾式(或螺栓式)散熱器這種經(jīng)典散熱技術(shù)。也未涉及強(qiáng)制通風(fēng)冷卻方法,該方法一般用于需要處理數(shù)十瓦特功耗的情況。略去這些內(nèi)容的主要原因在于,它們并不適用于當(dāng)今的運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器封裝。
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