标签: 热阻

热阻计算 一般，热阻公式中，Tcmax =Tj - P*Rjc的公式是在假设散热片足够大而且接触足够良好的情况下才成立的，否则还应该写成Tcmax =Tj - P*（Rjc+Rcs+Rsa)。Rjc表示芯片内部至外壳的热阻，Rcs表示外壳至散热片的热阻，Rsa表示散热片的热阻。没有散热片时，Tcmax =Tj - P*（Rjc+Rca)。Rca表示外壳至空气的热阻。 一般使用条件用Tc =Tj - P*Rjc的公式近似。厂家规格书一般会给出，Rjc，P等参数。一般P是在25度时的功耗。当温度大于25度时，会有一个降额指标。 举个实例： 一、三级管2N5551 规格书中给出25度(Tc)时的功率是1.5W(P)，Rjc是83.3度/W。 此代入公式有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出Tj为150度。芯片最高温度一般是不变的。 所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc表示温度为Tc时的功耗。假设管子的功耗为1W，那么 Tc=150-1*83.3=66.7度。 注意，此管子25度(Tc)时的功率是1.5W，如果壳温高于25度,功率就要降额使用。规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。我们可以用公式来验证这个结论。假设温度为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。把此时的条件代入公式得出： Tc=150-（1.5-0.012*(Tc-25))×83.3，公式成立。 一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Ttj。公式变为： Tj=Tc+P*Rjc 同样与2N5551为例。假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60度，那么： Tj=60+1.2*83.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了 按照降额0.012W/度的原则，60度时的降额为（60-25）×0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是说，壳温60度时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温。 假设规格书没有给出Rjc的值，可以如此计算 Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，那么一般硅管的Tj最大为150至175度。同样以2N5551为例。知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式： Rjc=(150-25)/1.5=83.3 如果Tj取175度 则Rjc=(175-25)/1.5=96.6 所以这个器件的Rjc在83.3至96.6之间。 如果厂家没有给出25度时的功率。那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时，再把数据代入： Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P     有给Tj最好，没有时，一般硅管的Tj取150度 我还要作一下补充说明。 一、可以把半导体器件分为功率器件和小功率器件。 1、大功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见，一律可以按150度来计算。适用公式：Tc =Tj - P*Rjc。设计时，Tj最大值为150，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。  2、小功率半导体器件，比如小晶体管，IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻。（Rja=Rjc+Rca)。1 |: L. U  y$ _ 同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温25度时取得的。假设此时环境温度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，还要保证可温也是25度，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。所以此时，小功率半导体器件要用到的公式是： Tc =Tj - P*Rja Rja:结到环境之间的热阻。一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数。 2N5551的Rja厂家给的值是200度/W。已知其最高结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - P*Rja 得到： 25=150-P*200,得到，P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W。因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！ 还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。 3、另外告诉大家一个窍门，其实一般规格书中的最大允许储存温度其实也是最大允许结温。最大允许操作温度其实也就是最大允许壳温。 最大允许储存温度时，功率P当然为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇！ 最大允许操作温度，一般民用级（商业级）为70度，工业级的为80度。普通产品用的都是民用级的器件，工业级的一般贵很多。)  热路的计算，只要抓住这个原则就可以了：从芯片内部开始算起，任何两点间的温差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻。这有点像欧姆定律。任何两点之间的压降，都等于电流，乘以这两点间的电流。 不过要注意，热量在传导过程中，任何介质，以及任何介质之间，都有热阻的存在，当然热阻小时可以忽略。比如散热器面积足够大时，其与环境温度接近，这时就可以认为热阻为0。如果器件本身的热量就造成了周围环境温度上升，说明其散热片（有散热片的话）或外壳与环境之间的热阻比较大！这时，最简单的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc来计算。其中Tc为壳温，Rjc为结壳之间的热阻。如果你Tc换成散热片（有散热片的话）表面温度，那么公式中的热阻还必须是结壳之间的加上壳与散热器之间的在加散热器本身的热阻！另外，如果你的温度点是以环境来取点，那么，想想这中间包含了还有哪些热路吧。比如，散热片与测试腔体内空气之间的热阻，腔体内空气与腔体外空气间的热阻。这样就比较难算了。  

    在通常的LDO设计中，热阻参数的考虑常常被忽略。但是，该参数对电源系统的影响却是很大的，因为LDO的该参数若是选择不当，就容易造成LDO芯片功耗过大、过热而进入热保护状态，导致电源断电。     最近在一个系统的电源芯片的选型中（系统输入为3.3V，需要得到1.8V的电压，该1.8V所需最大电流250mA左右），为了减小纹波对系统性能的影响，考虑用LDO来进行电压转换，最初选择了Sipex一个LDO（ SP6205EM5-ADJ ，SOT-23-5 ）。     该芯片的主要参数为：2.7V~5.5V的电压输入范围；500mA电流输出；输出电压可调；具有限流和热保护功能；等。     咋一看，该电源芯片可满足系统需求，250mA的所需电流用500mA也是余量足够了。但与同事讨论，其说该芯片根本达不到500mA的输出电流，因为其热阻较高。于是，我开始详细的阅读该芯片Datasheet，发现其确实存在该问题。   以下讨论都是以该芯片的SOT-23-5封装为例说明。 Thermal Resistance： SOT-23-5 （Q JA ）： 191 ℃ /W                                            DFN-8（Q JA ）：59 ℃/W 最大功率消耗为： PD(max) = （T J (max)-T A ）/ θ JA ，其中，T J 为节点温度，T A 为环境温度，θ JA 为热阻。 当芯片超过了最大允许功耗时，节点温度会过高，从而芯片进入热保护模式 。   SP6205-ADJ（SOT-23-5封装）的最大功耗为： PD(max) = ( 125℃ – 25℃ ) / (191 ℃/W) = 523 mW 实际工作过程中，芯片功耗为： PD = ( Vin – Vout)*Iout + Vin * I GND         （1）     通常，I GND 为uA级（比如：SP6205在500mA输出时的I GND =0.35mA），若要求不是特别精确，基本可忽略Vin*I GND 该项的影响。       因此，芯片实际工作时的功耗必须限制在最大允许功耗范围内，超过PD(max)则芯片进入热保护模式。 根据式（1），我们就可以算出以下参数： （a）在已知输入输出压差的条件下，得出最大输出电流 例如：输入电压5V，输出电压3V，则： 523mW = (5V – 3V)*I(load(max)) + 5V * 0.35mA， 则 I(load(max)) = 260.6mA。   （b）在已知负载电流的条件下，得出输入输出允许最大压差 例如：输出电压为3V，负载电流为400mA，则： 523mW = （Vin – 3V）* 400mA + Vin * 0.35mA， 则 Vin(max) = 4.3V，△Vmax=1.3V。       所以，在LDO电源芯片选型的过程中，应该根据实际情况的需求，认真考虑其热阻参数。     回到本文开头说提到的系统需求，计算得到的实际最大输出电流为：I(load(max)) = 347mA。与芯片500mA的输出电流相比，电流余量大大降低了。而且，该电流最大值是在环境温度25℃理想情况下计算得到的，随着工作时间的推移，芯片的温度会逐渐升高，该输出电流的最大值还会进一步降低。其500mA的输出电流只有在输入输出压差1V以内、室温25℃的情况下才可以得到。     从以上分析可见，LDO的热阻参数对其它参数（如输出电流、输入输出压差等）是有较大影响的，必须予以考虑。选型时应尽量选择热阻小的芯片或封装，尤其是同一型号芯片的不同封装，其热阻会相差较大，比如以上电源芯片SP6205的DFN-8封装，其热阻就只有59℃/W，较之SOT-23-5封装的191℃/W小了不少。  

我最近在写热分析和热设计的章节，把一些材料整理出来给大家分享一下，与原文有些差距，增加多样性，呵呵。 首先看英文的指引，是指JESD51中关于热阻和热特性参数的表格定义。   Theta (θ)、Psi (Ψ)的定义 热阻划分 θJA 是结到周围环境的热阻，单位是°C/W。θJA取决于 IC封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，通常辐射的影响可以忽略。θJA专指自然条件下的数值。 器件说明书中的ΦJA是根据JESD51标准给出的，其标准环境是指将器件安装在较大的印刷电路板上，并置于1立方英尺的静止空气中。因此说明书中的数值没有太大的参考价值。 θJC是结到管壳的热阻，管壳可以看作是封装外表面的一个特定点。θJC取决于封装材料(引线框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封装设计(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率)。 注意θJC表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此θJC总是小于θJA。θJC表示是特定的、通过传导方式进行热传递的散热通路的热阻，而θJA则表示的是通过传导、对流、辐射等方式进行热传递的散热通路的热阻。 θCA是指从管壳到周围环境的热阻。θCA包括从封装外表面到周围环境的所有散热通路的热阻。注意，如果有散热片，则可分为θCS和θSA。 θJA = θJC + θCA θJB是指从结到电路板的热阻，它对结到电路板的热通路进行了量化。通常θJB的测量位置在电路板上靠近封装处。θJB包括来自两个方面的热阻：从IC的结到封装底部参考点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板的热阻。 以上三个热阻的对比图： 热特性 Ψ和θ之定义类似，但不同之处是Ψ 是指在大部分的热量传递的状况下，而θ是指全部的热量传递。在实际的电子系统散热时，热会由封装的上下甚至周围传出，而不一定会由单一方向传递，因此Ψ之定义比较符合实际系统的量测状况。   ΨJB是结到电路板的热特性参数，单位是°C/W。热特性参数与热阻是不同的。与热阻θJB测量中的直接单通路不同，ΨJB测量的元件功率通量是基于多条热通路的。由于这些ΨJB的热通路中包括封装顶部的热对流，因此更加便于用户的应用。 ΨJT 是衡量结温和封装顶部温度之间的温度变化的特征参数。当封装顶部温度和功耗已知时，ΨJT有助于估算结温。 结论 θ-JA 是非常糟糕的，计算仅用于理想的PCB理想的贴装，理想的环境。 θ-JC 是非常糟糕的，只有那种特别大的封装才有意义TO220，因为直接传导占据最主要的比例。 Ψ-JL, Ψ-JB, Ψ-JT, 不同的模型：在正确使用的时候，是一个非常好的模型 参考资料： IC封装热阻的定义与量测技术 AP4083—IC封装的热特性（MAXIM） AP3500—通过测量有源元件的管芯温度监控电子系统的热耗散（MAXIM） 标准系列： JESD51: Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device) JESD51-1: Integrated Circuit Thermal Measurement Method—Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) JESD51-2: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Natural Convection (Still Air) JESD51-3: Low Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages JESD51-4: Thermal Test Chip Guideline (Wire Bond Type Chip) JESD51-5: Extension of Thermal Test Board Standards for Packages with Direct Thermal Attachment Mechanisms JESD51-6: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Forced Convection (Moving Air) JESD51-7: High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages JESD51-8: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Junction-to-Board JESD51-9: Test Boards for Area Array Surface Mount Package Thermal Measurements JESD51-10: Test Boards for Through-Hole Perimeter Leaded Package Thermal Measurements. JEDEC51-12: Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information. PS：少写博客，多写书。