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夏日炎炎,电路散热技巧你都Get到没有?

发布时间:2019-06-18 责任编辑:wenwei

【导读】出于可靠性原因,处理大功率的集成电路越来越需要达到热管理要求。所有半导体都针对结温(TJ)规定了安全上限,通常为150°C(有时为175°C)。与最大电源电压一样,最大结温是一种最差情况限制,不得超过此值。在保守设计中,一般留有充分的安全裕量。请注意,这一点至关重要,因为半导体的寿命与工作结温成反比。简单而言,IC温度越低,越有可能达到最长寿命。
 
这种功率和温度限制是很重要的,典型的数据手册中都有描述,如图1所示。图中所示为一款8引脚SOIC器件AD8017AR。
 
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图1:AD8017AR(ADI散热增强型SOIC封装
 
与这些声明相关的是一些工作条件,比如器件功耗、印刷电路板(PCB)的封装安装细则等。对于AD8017AR,其在25°C的环境温度下的额定功耗为1.3W。其假设是8引脚SOIC封装配合的是一块双层PCB板,以大约4 in2  (~2500 mm2 )的2盎司铜实现散热。下面将预测该器件在其他条件下的安全工作情况。
 
散热设计基础   
 
一般用符号θ来表示热阻。热阻的单位为°C/W。除非另有说明,热阻指热量在从热IC结点传导至环境空气时遇到的阻力。也可更具体地表示为θJA,即结至环境热阻。θJC和θCA是θ的两种其他形式,详见下文。
 
一般地,热阻θ等于100°C/W的器件在1W功耗下将表现出100°C的温差,该值在两个参照点之间测得。请注意,这是一种线性关系,因此,在该器件中,1W的功耗将产生100°C的 温差(如此等等,不一而足)。对于AD8017AR,θ约为95°C/W,因此,1.3W的功耗将产生大约124°C结至环境温差。当然,预测内部温度时使用的正是这种温度的上升,其目的是判断设计的热可靠性。当环境温度为25°C时,允许约150°C的内部结温。实际上,多数环境温度都在25°C以上,因此,可以处理的功耗会稍低。
 
对于任意功耗P(单位:W),都可以用以下等式来计算有效温差(ΔT)(单位:°C):
 
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其中,θ为总适用热阻。图2总结了一些基本的热关系。
 
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图2:基本热关系  
 
请注意,串行热阻(如右侧的两个热阻)模拟的是一个器件可能遇到的总热阻路径。因此,在计算时,总θ为两个热阻之和,即θJA=θJC+θCA。给定环境温度TA、P和θ,即可算出TJ。根据图中所示关系,要维持一个低的TJ,必须使θ或功耗(或者二者同时)较低。低ΔT是延长半导体寿命的关键,因为,低ΔT可以降低最大结温。
 
在IC中,一个温度参照点始终是器件的一个节点,即工作于给定封装中的芯片内部最热的点。其他相关参照点为TC(器件)或TA(周围空气)。结果又引出了前面提到的各个热阻,即θJC和θJA。
 
先来看看最简单的情况,θJA为在给定器件的结与环境空气之间测得的热阻。该热阻通常适用于小型、功耗相对较低的IC(如运算放大器),其功耗往往为1W或以下。一般而言,对于8引脚DIP塑封或者更优秀的SOIC封装,运算放大器以及其他小型器件的典型θJA值处于90-100°C/W水平。 
 
需要明确的是,这些热阻在很大程度上取决于封装,因为不同的材料拥有不同水平的导热性。一般而言,导体的热阻类似于电阻,铜最好,其次是铝、钢等。因此,铜引脚架构封装具有最高的性能,即最低的θ。
 
散  热
 
根据定义,散热器是附加于IC之上的一种额外低热阻器件,其作用是辅助散热。散热器具有自己的热阻,表示为θCA,单位为°C/W。然而,当今的多数运算放大器在安装散热器时相当麻烦(较老的TO-99金属帽壳型封装除外)。考虑了散热器安装的器件具有明显的特征,其θJC远低于θJA。这种情况下,θ将由一个以上的组分构成。热阻采用加法即可,结果使净值计算变得相对简单。例如,在给定相关θJC时,要计算净θJA,只需将散热器的热阻θCA或者壳到环境热阻与θJC相加即可:
 
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结果得到针对具体环境的θJA。 
 
然而更广泛地讲,现代IC并不使用市场上有售的散热器。相反,在需要消耗大量功率时(比如≥1W),以低热阻铜PCB走线作为散热器。在这种情况下,制造商提供的对散热最有用的加工数据是示例PCB布局的边界条件以及这些条件下产生的θJA。如前所述,这是针对 AD8017AR提供的具体信息。通过这种方式,展示此类条件下热关系的示例数据如图3所示。这些数据适用于装有一个散热器的AD8017AR,该散热器的面积约为4平方英寸,采用一块双层2盎司铜PCB板。
 
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图3:AD8017AR运算放大器的热额定曲线   
 
这些曲线展示的是AD8017在最大结温150°C和125°C下的最大功耗与温度特性之间的关系。这种曲线通常称为减额曲线,因为,容许功耗随环境温度而下降。
 
AD8017AR采用的是ADI专有的散热增强型(Termal Coastline)IC封装,在不增加SO-8封装尺寸的情况下允许消耗更多的功率。对于150°C的TJ(max),上部曲线显示的是该封装的容许功耗,在25°C的环境温度下为1.3W。如果使用更保守的125°CTJ(max),则适用两条曲线中的下部曲线。
 
图4展示了8引脚标准SOIC封装与ADI散热增强型封装的性能比较结果。请注意,散热增强型封装在25°C下的容许功耗为1.3W,而标准封装仅为0.8W。在散热增强型封装中,热传导增强了,这正是封装θJA较低的原因所在。
 
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图4:标准(下)和ADI散热增强型(上)8引脚SOIC封装的热额定曲线 
 
甚至可以支持更高的功耗,因为使用IC封装后,可以增进从芯片到PCB板的热传导。其中一个示例是AD8016ADSL线路驱动器件,该器件提供两种封装选项,25°C下的额定功耗分别为5.5W和3.5W,如图5所示。
 
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图5:AD8016 BATWING(下)和PSOP3(上封装的热特性曲线(其中,TJ(Max)=125°C)
 
以额定功耗较高的AD8016ARP PSOP3封装为例,当搭配一个10in2、1盎司散热层时,该组合可以在70°C的环境温度下处理最高3W的功耗,如图中的上部曲线所示。这相当于18°C/W的θJA,这种情况下,该值适用于125°C的最大结温。
 
PSOP3版的AD8016之所以具有如此出色的功耗处理能力是因为采用了一块大面积铜片。在内部,IC芯片直接置于铜片上,底部表面裸露情况如图6所示。其目的是将该表面直接焊接到PCB板上的一个铜层上,从而扩大散热面。
 
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图6:AD8016 20引脚PSOP3封装的底视辅助散热铜片(中心的灰色区域)
 
AD8016的两种封装选项均有静止空气和流动空气两种特性,但是,上面给出的热数据适用于不使用定向气流的情况。因此,增加气流会进一步降低热阻(见参考文献2)。
 
为了设计出可靠的低热阻运算放大器,以下列出几条设计注意事项。可根据实际情况,考虑所有要点。
 
1. 对于PCB散热器,要使用面积尽量大的铜片,以“效益递减”点为度。
2. 与1相结合,要使用多个(外部)PCB层,用多个过孔连接起来。
3. 根据实际情况尽量使用质量较重的铜(最好是2盎司或以上)。 
4. 在系统中提供充足的天然通风出入口,以便热能从热的PCB表面自由散开。 
5. 使功耗消散PCB层垂直朝向,促进散热器区域的气流对流。 
6. 针对精密运算放大器应用,考虑使用外部功率缓冲级。 
7. 对于需要在有限空间下耗散数瓦特的情况,考虑使用强制通风方法。
8. 不要在散热走线上覆盖阻焊层。
9. 不要在供电IC上使用过大的电源电压。
 
多数情况下,以上各项都是显而易见的。然而,第9项却需要稍加说明。每当应用只需要适中的电压摆幅时(如标准视频、2Vp-p),通常可以使用宽电源电压范围。但是,如图7中的数据所表明的那样,在较高的电源电压下,运算放大器驱动器的运行会产生较大的IC功耗,即使负载功率恒定不变亦是如此。
 
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图7:视频运算放大器驱动器在各种电源电压、低电压输出摆幅下的功耗 
 
在这种情况下,只要应用的失真性能不恶化,就应该为IC提供较低的电压,如±5V而非±15V。以上示例数据是以直流为基础计算所得,与正弦波或噪声类波形(如DMT信号)相比,直流会增加驱动器的功耗(见参考文献2)。一般原则仍然适用于这些交流波形,换言之,当负载电流高、电压低时,运算放大器的功耗就高。
 
虽然上述AD8016和AD8017两款散热增强型封装有较大的机会处理高功耗,但日益流行的小型IC封装实际上却朝着相反的方向发展。毫无疑问,当今的小型封装确实会牺牲较大散热性能。但是必须了解的是,这是为了缩小运算放大器封装的尺寸,最终是为提高整个系统的PCB板密度。
 
这几点反映在AD8057和AD8058系列单通道和双通道运算放大器的热额定值中,如图8所示。AD8057和AD8058运算放大器提供三种不同的封装,分别为SOT-23-5、8引脚μSOIC以及标准SOIC封装。
 
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Figure 8: Comparative Thermal Performance for Several AD8057/58 Op Amp  Package Options
 
如数据所示,随着封装尺寸的缩小,能够消散的功率也会显著减少。对于此类微型封装来 说,由于引脚架构是唯一的散热通道,因而其热性能会下降。上述封装的θJA分别为240°C/W、200°C/W和160°C/W。请注意,这是封装限制,而非器件限制。采用相同封装的其他IC具有类似特性。
 
数据转换器散热考虑  
 
表面上看,我们可能会假定,ADC或DAC的功耗在既定电源电压会保持不变。然而,许多数据转换器(尤其是CMOS类)的功耗高度依赖于输出数据负载和采样时钟频率。由于许多新型高速转换器在最差工作条件下可能消耗最多1.5W至2W的功率,因此,我们必须清楚地了解这一点,以确保安装封装时,使最高预期工作温度下的结温保持于可接受限值之内。
 
指南MT-031谈到接地强调称,高性能ADC(尤其是带有并行输出者)的数字输出的负载不宜过大(5-10pF),以防止数字瞬变电流导致SNR和SFDR下降。然而,即使在小输出负载下,多数CMOS和BiCMOS ADC的功耗也仍然是采样时钟频率的函数,有时则为模拟输入频率和幅度的函数。
 
例如,图9展示了AD9245 14位、80MSPS、3 VCMOS ADC在数据线路的模拟输入为2.5MHz且输出负载为5pF时,功耗与频率之间的关系。图中分别展示了数字和模拟电源电流以及总功耗。请注意,当采样频率在10MSPS与80MSPS之间变化时,总功耗可能在310mW至380mW范围内变化。
 
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图9:AD9245 14位、80 MSPS、3 V CMOS ADC 功耗与采样速率的关系(输入为2.5 MHz;输出负载为5 pF)
 
AD9245采用32引脚无铅芯片级封装,如图10所示。封装的底视图显示的是裸露的焊盘,该焊盘应焊接到PC板的接地层以获得最佳的热传导效果。最差情况封装结至环境热阻θJA的额定值为32.5°C/W当功耗为380mW时,结温将比环境温度高32.5°C×0.38=12.3°C。当最高工作温度为+85°C时,结温为85°C+12.3°C=97.3°C。
 
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图10:AD9245 CP-32引脚架构芯片级封装(LFCSP)
 
AD9430是一款高性能12位、170/210MSPS 3.3V BiCMOS ADC。有两种输出模式可用:双通道105MSPS解复用CMOS输出和210MSPS LVDS输出。功耗为采样频率的函数,如图11所示。其中展示了CMOS和LVDS模式下当模拟输入频率为10.3MHz时的模拟和数字电源电流。请注意,在LVDS模式下,当采样频率为210MSPS时,总电源电流约为455mA——总功耗为1.5W。
 
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图11:AD9430 12位170 /210 MSPS ADC电源电流与采样速率的关系(输入频率为10.3 MHz
 
AD9430采用100引脚薄型塑封四方扁平封装,带一个裸露焊盘(TQFP/EP),如图12所示。 导电焊盘与芯片接地面相连,应焊接到PC板接地层。当焊接到接地层时,该封装在静止空气中的θJA为25°C/W。结果,当功耗为1.5W时,结温将比环境温度高25°C×1.5=37.5°C。当最高工作温度为+85°C时,结温为85°C+37.5℃=122.5℃。
 
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图12:AD9430 100引脚e-PAD TQFP 
 
AD6645是一款高性能14位、80/105MSPS ADC,采用高速互补双极性工艺(XFCB)制成, 具有较高的SFDR(89dBc)和SNR(75dB)。尽管其功耗(为采样频率的函数)变化不大,该器件的最大功耗为1.75W。采用的是散热增强型52引脚PowerQuad 4®封装,带一个裸露焊盘,如图13所示。
 
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图13:AD6645 52引脚Power-Quad 4 (LQFP_ED) (SQ-52) 散热增强型封装(底视图)
 
建议把裸露的中央散热器焊接到PC板接地层上,以使封装在静止空气中的θJA减至 23°C/W。对于1.75W的功耗,结温将比环境温度高23°C×1.75=40.3°C。当最高工作温度 为+85°C,结温为85°C+40.3°C=125.3°C。可以用200LFPM的气流使封装的热阻降至17°C/W,从而使结温降至比环境温度高30°C的水平。换言之,对于+85°C的工作环境温度,结温为115°C。
 
高速CMOS DAC(如TxDAC®系列)和DDS IC(如AD985x系列)的功耗同样取决于时钟速率。例如,对于AD9777 16位、160MSPS双通道插值DAC,其功耗为时钟速率、输出频率以及PLL和调制功能使能这三个因素的函数。采用3.3V电源时,其功耗范围为380mW(fDAC=100MSPS,fOUT=1MHz,无插值,无调制)至1.75W(fDAC=400MSPS,fDATA= 50MHz,fs/2调制,PLL使能)。系列中的这些器件以及类似器件同时提供散热增强型封装,搭载一个需要焊接到PC板接地层的裸露焊盘。
 
总 结
 
本文讨论了运算放大器和数据转换器的散热应用问题,但并未涉及夹式(或螺栓式)散热器这种经典散热技术。也未涉及强制通风冷却方法,该方法一般用于需要处理数十瓦特功耗的情况。略去这些内容的主要原因在于,它们并不适用于当今的运算放大器和数据转换器封装。
 
 
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