技术分享 使用热阻矩阵进行LDO热分析的指南

  低压降线性稳压器（LDO）因其工作原理，虽然能以低成本提供高电源质量，但也会不可避免地产生损耗和发热问题。面对大压降、大电流，LDO将长时间处于较高的工作时候的温度范围，可能会影响其常规使用的寿命和可靠性。因此，通过事先分析和评估LDO在特定工作环境下的温度，并采取一定的措施，可以轻松又有效地避免芯片在长时间的高温下发生热关断和老化。

  芯片的结温主要根据其功耗、散热条件和环境和温度。因此，通过选不一样的封装版本来降低芯片的结与环境的热阻，是一种降低结温的有效解决方案。

  由于芯片结构较为复杂，通常通过仿真得到热阻的理论计算值。而在芯片实际工程应用中，工程师们将理论热阻与实际应用问题相结合，加以归类，得出一些有着非常明显物理意义的热阻。下图展示了芯片焊接在PCB上时的热阻网络。

  图中，热量从结向上通过封装体传递到封装外壳的顶部，它们之间的热阻之和被称为θJC(top)；热量从结向下，通过粘合剂、引线框架基岛传递到底部散热焊盘，其热阻之和被称为θJB；此外，通过图中所有材料和结构，从结到外部环境的所有方向的热量，所有路径的整体热阻被称为θJA。

  虽然这些热阻能够最终靠建模仿真获得，但由于存在制造误差及其他原因，可能不甚准确。因此，在工程实践中，通常通过芯片发热和温差，来计算热阻。热阻的定义如下：

  这意味着不论是减少芯片的发热、改用散热性能更好的大型封装、增加散热器和风扇，还是改进PCB的散热设计，都能够大大减少芯片温升。

  我们可以在芯片的数据手册（datasheet）中找到一个热阻信息矩阵，其中就包含了上述θJA和θJC(top)等参数。下表摘自NSR31系列LDO的数据手册。NSR31完整版数据手册官网链接：

  需要注意的是，许多工程师会使用θJA、环境和温度和芯片功耗，来计算结温，但这可能会产生较大的计算误差。

  从上节图1的θJA定义能够准确的看出，其值不仅由芯片本身决定，还非常大程度上取决于具体使用的PCB。不同的应用PCB的散热面积、层数、铜厚、板厚、材料、器件布局等方面各不相同，因此，θJA的值在不同的应用PCB上会有很大差异。大多数工程师都很关注自己PCB上芯片的状态。因此，在热设计中不建议使用θJA，θJA的主要优点是比较不同封装类型的热性能方面。

  通常而言，几乎所有芯片数据手册中的θJA，都是使用行业标准板测量或仿真而得的示例值。这一些行业标准平台被称为JEDEC High-K或JEDEC Low-K板。此外，这些JEDEC 板仅由安装在3x3板上的一个IC器件组成，与实际工程应用中的PCB有显著差异。

  为了解决应用端的实际问题，表中还提供了热特性参数。这是联合电子器件工程委员会（JEDEC）在20世纪90年代定义的热指标。就评估现代封装器件结温而言，它是一个更为便利的指标。代表的是结与参考点之间的温差与芯片消耗的总功率的比值，它只是一个构造出的参数。虽然其公式和单位（°C/W）与Rθ非常相似，但实际上并非是一个“热阻”参数，其定义如下：

  其中，JC是结到壳的热特性参数，TJC是结到壳的温差，PD是芯片的总耗散功率。因此，求TJ时，首先要测量外壳温度TC，计算芯片的总耗散功率PD，再使用以下公式计算：

  其中，JC能够最终靠数据手册中的热阻信息矩阵获取。当芯片外部散热条件固定时，JC与θJC成正比。与不同应用端差异很大的θJA相比，虽然JC也受到PCB散热能力的影响，但我们大家可以近似地认为，在大多数应用中，该影响并不显著。具体原因如下。

  即JC与θJA成正比，其值为从结到壳顶部的热功率与芯片总耗散功率的比值。

  如图2所示，根据热阻网络的“并联电阻分流公式”关系，功率比相当于热阻比的倒数：

  式中：θCA为壳到环境的热阻。当没有在芯片表面安装散热器时，θCA远大于θJC。由此可得，JC小于θJA，因此，在工程上的实际PCB中，使用JC估算结温的误差，远小于使用θJA来估算的误差。

  由于集成电路外部被塑封料（mold compound）包裹，结没有暴露在外，因此我们没办法通过热电偶或红外温度计，直接测量芯片内部结点的温度。对于许多大型封装集成电路，例如CPU或GPU，通常会集成一个热传感器，用于测量TJ。但对于小型封装集成电路，由于受到尺寸和成本的限制，大都没有这种TJ传感器的功能。因此，我们一定要通过测试和热分析来估算TJ。

  NSR31/33/35系列LDO有8种封装，具体信息如表2所示。采用不一样封装的各类热阻已在芯片数据手册的热阻矩阵中标明。其信息概述如下。

  表2中所有参数均根据JEDEC标准获得。通过表θJA比较可知，SOT-23-5L封装的散热性能最差，TO263-5封装的散热性能最好。当需要获取LDO在特定应用电路板上的结温时，能够正常的使用公式（2-2）：

  式中：VIN代表LDO输入电压，VOUT代表LDO输出电压，IOUT代表LDO输出电流。

  接下来以NSR31050-QSTAR为例，在EVM板上测量和计算其结温和实际热阻θJA，以供参考。具体来说，EVM板采用四层设计（88mm x 53mm），铜厚为1盎司，总散热面积约为4600平方毫米，如图3所示。

  在室温通风恒定的情况下，通过给LDO施加一定的电压和负载，可以将其功耗从0W增加到接近热关断。在不同功耗设置下，让芯片工作5分钟温度稳定后，使用手持式红外测温仪测量芯片顶壳的温度。利用环境和温度、壳温、功耗和JC的公式，来对EVM板上芯片的结温和热阻θJA进行估算。结果如表3所示。

  从表3能够准确的看出，在此EVM板上，测得的结到环境的热阻θJA约为77.5°C/W，远低于JEDEC 标准的207.9°C/W。

  综上所述，在实际应用中，芯片存在多种热传导途径，热量亦通过多个通道传递。我们很难像估算总功耗一样，准确得到由特定途径传导的功耗。因此，热特性参数JC更适合用于估算结温，利用热特性参数JC，同时结合公式（3-1）来估算结温更为准确和严谨。

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