原创 简谈电子模块热分析

热分析是个很麻烦的事情，有很多软件可以做这件事情，事实上很大一部分的工作是机构工程师做的，他们根据我们提供的一些参数得到如下图所示的结果：

我们也有我们需要做的事情，因为我们在实际的时候不可能在一开始就把PCB板布好，我们需要做一些初步的计算，知道每个元件在独立的情况下，他们的散热和温度情况。
我们要分析的东西首先注明：
三极管，二极管，Mos管，电阻，继电器
芯片 (单片机, 稳压器, 驱动)
电容（一般是ESR大的需要分析）
PCB板的大电流线
当然我们的步骤是比较简单的，首先确定环境温度，然后计算最大功率下，元件的结温。判断的方法就是把那些散热功率=85%×额定功率和大于1/4W的器件，我们就需要注意他们了。
稳态功耗的计算
下面把所有的公式罗列出来：

单片机的工作电流是和频率有关系的：

电容热计算和纹波电压和ESR有关不详细叙述了。
这里要补充一些内容，对于齐纳管和TVs或者压敏电阻来说，更多的是能量击穿，因此算脉冲能量积分是更有意义的事情，如果算散发功率可能得出错误的结论，也建议大家可以在瞬态的时候使用拉普拉斯方法计算或者直接去求助仿真工具。

计算结温的一般方法是：

封装不一样热阻是不一样的,以三极管为例：

另外就是额定功率可能随着环境温度变化，如电阻的额定功率图：

以上介绍都是热分析中最简单的一部分，实际上热阻是变化的，因此这是个很麻烦的事情，我想花些时间把这些东西讨论清楚。

首先提一下热分析的概念哈，我们可以用各种手段完成，包括仿真软件，手算，实际测试等等，器件发热会导致很多问题：
1.半导体损耗 ： 通常，急剧上升的温度可能容易导致超过器件使用范围。
2.过大温差引起的机械应力：导致脆弱的结构部分受力过大（焊点），和早期失效。    
3.寿命降低 ： 随着每10 °C温度的升高，机械失效的概率将成倍增加。

我们一定要把下面这个图搞搞清楚，我们一般可以很多器件都会标明junction温度，这个实际上是器件的极限温度，如果我们把器件设计在这个温度下长期工作，我想这样的设计会让人崩溃的。
呵呵，我们一般都会加一个余量，这个余量根据我们认知的不同可大可小，一般呢根据经验取20%～40%不等。

由于历史原因，对分立器件的“结温”实质上是PN交界处结温度（整流二极管，双极晶体管），普遍的来说，元器件的结温指的是在设备最热的地方（硅片）。

结温受以下几个方面的影响：
元器件本身的功耗，元器件所处的环境温度，元器件的“应用”环境，元器件的封装。

发生传热的途径一般通过三种途径：1.传导 2.辐射 3.对流
传导是通过材料的传热，从最热的地方传向最冷的地方。类似于电流传导，可以采用（热）欧姆定律来表述：

常用的传导材料的参数：

★在实践中，通过空气传导散热可以忽略不计（比较Rw数字远远大于其他材料）。
★元件的散热片上安装的'接触'电阻是非常重要的（特别当设备必须与散热片隔离的时候）。

辐射：辐射热是通过电磁波，取决于表面处理和表面的温度情况（辐射系数）。

表面辐射系数：

★辐射由于缺乏辐射系数的信息而显得计算复杂，一般系数介于0.03和1，实际需要通过测量才能确定确切的数字。
★在非常高的表面温度的辐射对于传热的贡献急剧增加，但在更多实际情况中，一般之只能处理5％（抛光面）到40％（黑面）的热量。
★如果辐射能量通过相邻的物体表面反射，辐射的效果将会减少，这所谓的'屏蔽效应'（弯曲的散热片的边缘）

热对流
热对流是通过沿散热片表面流动的空气中散发热量，不同的表面处理，实际中热对流散发60%至90%的热量。

实际计算过程中，热对流是相当麻烦的：
★温度依赖性
表面温度越高，对流会加大。（温度上身35℃，对流增加约5％）。
★表面'接触'的长度和方向。
上升的热空气造成的空气在垂直面上最动荡，正方形为最好方案。同样表面积的正方形散热片比矩形的2对流增加约15％）
★横向气流下沉

★'屏蔽效应'
如果热表面距离太近，空气流动的干扰（动荡），再次降低了冷却效果。 如果表面间隔为10-15毫米外，其效果就影响不大了。

综合上述效应：

在良好的布局，热空气是远离热点，新鲜的空气通过印刷电路板降低散热。
印刷电路板板上为了提高气体流动所开的孔的效果，很大程度上取决于实际产品的气流状况。