一、什么是熱設(shè)計(jì)

        我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)用到的芯片如LDO、獨(dú)立器件如MOS管、甚至被動(dòng)元件阻容感都可能會(huì)有發(fā)熱的情況，在發(fā)熱量不大的情況下，對(duì)整體電路產(chǎn)生的影響微乎其微，但當(dāng)發(fā)熱量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電路性能下降甚至直接損壞器件。

        因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們需要考慮到熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)包括計(jì)算器件的結(jié)溫是否會(huì)超出極限范圍、當(dāng)器件發(fā)熱量較高時(shí)，也要考慮為器件提供散熱通道等。

二、什么是結(jié)溫、熱阻         

    1.  結(jié)溫

        結(jié)溫-Junction Temperature，指內(nèi)部核心晶體管的溫度，這個(gè)溫度有個(gè)最高允許值叫最高結(jié)溫TJ，如果在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)溫超過(guò)了最高允許結(jié)溫，可能導(dǎo)致芯片損壞。

        查閱常見(jiàn)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得知，一般IC的最高結(jié)溫在70℃，工業(yè)級(jí)IC可能在85℃，車(chē)規(guī)級(jí)IC的最高結(jié)溫在125℃，甚至有些在150℃。    

圖1 某電源芯片極限工況

    2. 熱阻

        熱阻（thermal resistance）是一個(gè)和熱有關(guān)的性質(zhì)，是指在有溫度差的情形下，物體抵抗傳熱的能力，單位是℃/W，意為單位功率下的溫升。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱阻分不同種類(lèi)，是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試出的結(jié)果，具體如下：

• RθJA — Junction-to-ambient thermal resistance，指結(jié)到外部環(huán)境的熱阻(此外部環(huán)境在測(cè)試中不受器件自身發(fā)熱影響，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)影響，所以RθJA只用來(lái)粗略估算)，可以用來(lái)快速估算結(jié)溫。

• RθJC(top) — Junction-to-case (top)thermal resistance，指結(jié)到封裝上表面的熱阻，測(cè)試時(shí)其他方向不散熱，只有上表面散熱。

• RθJC(buttom) — Junction-to-case (top)thermal resistance，指結(jié)到封裝下表面的熱阻，測(cè)試時(shí)其他方向不散熱，只有下表面散熱。        

• φJT — Junction-to-top characterization parameter，指結(jié)到封裝上表面中心點(diǎn)的熱阻，可以用來(lái)較為準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)溫。      

• φJB — Junction-to-board characterization parameter，指結(jié)到電路板的熱阻。

        熱阻參數(shù)有這么多種，而我們?cè)谝话愕碾娐吩O(shè)計(jì)時(shí)更關(guān)注的是能用來(lái)快速估算的RθJA 和能用來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算的φJT 。

        某電源芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)查詢(xún)結(jié)果如下：

圖2 某電源芯片熱阻參數(shù)

三、如何進(jìn)行熱設(shè)計(jì)

       1.  用RθJA估算

          一般的電路外部環(huán)境都是空氣，因此只要知道外部氣溫，可以很方便的估算內(nèi)核溫度。計(jì)算方法如下：

         TJ=TA+( RθJA × P ) ，其中P指的是器件消耗的功率，例如一個(gè)二極管通過(guò)了1安的電流，其在1安時(shí)的壓降為0.7V，那么其消耗的功率為1*0.7=0.7W；TA指外部環(huán)境溫度，即工作時(shí)器件附近的空氣溫度，假設(shè)此二極管工作在30℃的戶(hù)外；若其數(shù)據(jù)手冊(cè)的熱阻參數(shù)為RθJA=30℃/W，那么其結(jié)溫 TJ=TA+( RθJA × P ) =30+（30*0.7）=51℃，若其允許最高結(jié)溫為125℃，那么完全滿(mǎn)足要求。

        但需要明確的是，RθJA的環(huán)境溫度在測(cè)試中是不會(huì)受自身發(fā)熱影響的，但實(shí)際應(yīng)用中如果工作在空氣對(duì)流不好的條件下，器件自身發(fā)熱也會(huì)導(dǎo)致外部空氣溫升，此時(shí)還按照30℃的外部環(huán)境溫度來(lái)估算的結(jié)果就不準(zhǔn)確了，如果上面的二極管例子中，其最高允許結(jié)溫為70℃，理論計(jì)算出是51℃，那么19℃的裕度能否包含計(jì)算誤差呢？其實(shí)是很危險(xiǎn)的，因此要根據(jù)實(shí)際工況預(yù)留相應(yīng)大小的裕度。

       2.  用φJT計(jì)算

        φJT 的計(jì)算方法與RθJA類(lèi)似，不同的是，φJT需要在電路設(shè)計(jì)好后去實(shí)測(cè)器件封裝表面中心點(diǎn)的溫度。計(jì)算方法如下：

        TJ=TT+( φJT × P ) ，TT指實(shí)測(cè)封裝表面中心點(diǎn)溫度，φJT一般比較小，而RθJA一般比較大，因此相同消耗功率下，即使φJT有誤差，用φJT計(jì)算出來(lái)的結(jié)果誤差也會(huì)比較小。    

       3. 用RθJC計(jì)算

        有些器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有給出RθJA或φJT的值，只給了RθJC的值，因此只能用RθJC來(lái)計(jì)算結(jié)溫，其計(jì)算方法與φJT一樣，實(shí)測(cè)封裝表面平均溫度，然后用如下公式計(jì)算：

        TJ=TC+( RθJC × P ) ，TC指封裝表面平均溫度，用作粗淺的估算。     

       4.  測(cè)溫方法   

        上述兩種計(jì)算方法都提到了要測(cè)器件表面的溫度，如何能準(zhǔn)確測(cè)得芯片實(shí)際溫度呢？推薦用熱電偶來(lái)測(cè)溫度，如果沒(méi)有這個(gè)條件，在一般的應(yīng)用電路中，也可以用測(cè)溫槍代替。

        5.  總結(jié)

        具體計(jì)算方法要根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)和需求選擇，一般可以先用RθJA估算，然后電路板做好后再φJT用實(shí)測(cè)計(jì)算更為準(zhǔn)確，若參數(shù)不全，也可以用RθJC來(lái)代替估算。