MAX2116和MAX2118的散熱設(shè)計(jì)

本篇應(yīng)用筆記介紹了應(yīng)用于MAX2116和MAX2118直接變頻調(diào)諧器的熱分析。這兩款芯片最大的環(huán)境溫度為105°C。從管殼到周?chē)h(huán)境的熱電阻為66.3°C/W。環(huán)境溫度25°C時(shí)結(jié)溫度的典型值為56.2°C。

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介紹

MAX2116/MAX2118采用40引腳的QFN熱增強(qiáng)封裝。裸露焊盤(pán)使得該封裝成為非常有效的熱導(dǎo)體，從而簡(jiǎn)化了散熱設(shè)計(jì)。

大部分熱量經(jīng)過(guò)芯片的裸露焊盤(pán)擴(kuò)散，封裝的引腳及其頂部散熱很少。連接裸露焊盤(pán)到PCB的鍍銅則提供一條散熱路徑。鍍銅表面積越大散熱效果越好。

加快散熱的最有效方法是使用裸露焊盤(pán)下的PCB最上面的鍍銅層。由于布線(xiàn)的限制，這通常很難做到。第二種最佳方法是使裸露焊盤(pán)下的過(guò)孔連接到象地平面那樣的實(shí)心鍍銅層。MAX2116評(píng)估板就是這樣一個(gè)使用雙層板完成上述散熱設(shè)計(jì)的好范例。

關(guān)于散熱問(wèn)題背景的應(yīng)用筆記是"Thermal Considerations of QFN and Other Exposed-Paddle Packages."

定義

Θja = 從結(jié)到周?chē)h(huán)境的熱電阻，單位為°C/瓦。Θja是測(cè)量從芯片到周?chē)諝獾臒醾鲗?dǎo)電阻。 Θja包括通過(guò)頂層、底層、裸露焊盤(pán)、引腳以及與集成電路(IC)的引腳和裸露焊盤(pán)連接的任何銅皮的熱傳導(dǎo)路徑。
Θjc = 從結(jié)到管殼的熱電阻，單位為°C/瓦。 Θjc包括從芯片到QFN封裝的裸露焊盤(pán)的熱傳導(dǎo)電阻。
Θca = 從管殼到周?chē)h(huán)境的熱電阻，單位為°C/瓦。 Θca包括從裸露焊盤(pán)到空氣的熱傳導(dǎo)電阻。 Θca測(cè)量通過(guò)印刷電路板(PCB)上鍍銅的熱流量。在普通的管殼里， Θca是通過(guò)散熱器的熱傳導(dǎo)電阻。

Tj = 結(jié)溫度，單位為°C。
Tc = 管殼溫度，單位為°C。管殼溫度值是根據(jù)QFN封裝底部的裸露焊盤(pán)中央的溫度值測(cè)量得到的。
Ta = 環(huán)境溫度，單位為°C，即芯片周?chē)目諝鉁囟取?

Tja = Tj - Ta = 從結(jié)到環(huán)境的溫度差，單位°C。
Tjc = Tj - Tc = 從結(jié)到管殼的溫度差，單位為°C。
Tca = Tc - Ta = 從管殼到環(huán)境的溫度差。

Pd = 芯片的功耗。


圖1. 簡(jiǎn)單的熱模型

功耗可以用一個(gè)電流源作為模型，熱電阻以一個(gè)電阻為模型，而溫度則以電壓源為模型(見(jiàn)圖1)。根據(jù)圖1：

Θja = (Tj - Ta)/Pd

等式1

Θja是熱電阻的測(cè)量值，單位為°C/W。 Θja值越小越好。從圖1與等式2可以看到，對(duì)于給定的功耗值Pd， Θja值越小溫度差Tja就越小。設(shè)計(jì)者可在固定的環(huán)境溫度下通過(guò)減少溫度差來(lái)保持低的結(jié)溫度(等式3)。

Tja = Θja ×Pd

等式2

Tj = Ta + Θja × Pd

等式3

圖2. 詳細(xì)的熱模型

Θja為Θjc與Θca之和(見(jiàn)圖2和等式4)。對(duì)于40引腳QFN封裝的MAX2116/MAX2118， Θjc被設(shè)置為2°C/W。設(shè)計(jì)者不能控制這個(gè)參數(shù)，但可以控制Θca的值

Θja = Θjc + Θca

等式4

已知

Θjc = 2°C/W，對(duì)于40引腳QFN封裝的MAX2116/MAX2118。
Θja = 42.9°C/W，對(duì)于以JDEC標(biāo)準(zhǔn)⁴制造的單層電路板，1盎司鍍銅，9個(gè)位于裸露焊盤(pán)下的過(guò)孔。
Θja = 30°C/W，對(duì)于以JDEC標(biāo)準(zhǔn)制造的多層1S2P板(單個(gè)信號(hào)層，兩個(gè)電源平面)，2盎司銅皮，9個(gè)位于裸露焊盤(pán)下的過(guò)孔。
Tjmax = 150°C
Pdmax = 1391mW, 5.25V, 265mA
Pdnom = 975mW , 5.0V, 195mA

從上面可以看到有兩個(gè)Θja的值。兩個(gè)PCB根據(jù)JDEC標(biāo)準(zhǔn)制造和測(cè)量。單層板表現(xiàn)出非常保守的熱電阻。在實(shí)際中很容易得到接近Θja = 30°C/W的多層板熱電阻值。注意JDEC多層板使用2盎司銅皮和9個(gè)位于裸露焊盤(pán)下的過(guò)孔。典型的兩層板使用1盎司銅皮，可能會(huì)得到稍微高于30°C/W的熱電阻。


圖3. MAX2116連續(xù)的功耗額定參量曲線(xiàn)

設(shè)計(jì)

下面是一些通用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)用于確定需要的散熱器。

1. 確定芯片工作時(shí)可能遇到的最大環(huán)境溫度值(Ta)。假設(shè)在發(fā)熱的電視上方最大的室溫值是49°C，并且伴隨有電路散發(fā)的6°C熱量。這樣可以設(shè)置最大的環(huán)境溫度值為55°C。
2. 確定最大的結(jié)溫度。對(duì)于MAX2116和MAX2118來(lái)說(shuō)Tjmax = 150°C。
3. 確定芯片最大的功耗。根據(jù)MAX2116/MAX2118數(shù)據(jù)手冊(cè)最大的電流是265mA，最大的供電電壓為5.25V。Pdmax = 265mA。 5.25V = 1391mW。
4. 計(jì)算從結(jié)到環(huán)境的總共的熱電阻值(等式1)。 Θja = (Tj-Ta) / Pd = 95°C / 1.391W = 68.3°C/W。所以需要具有復(fù)合熱電阻為68.3°C/W的MAX2116/8與PCB。
5. Θca = Θja