熱設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，良好的熱設(shè)計(jì)能夠避免板卡出現(xiàn)熱故障，提高工作可靠性。長(zhǎng)期來(lái)講，也能夠延長(zhǎng)板卡的工作壽命。
大多數(shù)元器件的規(guī)格書，針對(duì)元器件的工作結(jié)溫TJ都有明確的說(shuō)明，如下圖元器件的最高工作溫度TJ-MAX=150℃。熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保證元器件工作時(shí)的最高結(jié)點(diǎn)溫度小于等于安全值。
元器件的工作溫度TJ的范圍
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，很多因素都會(huì)影響 元器件的工作結(jié)溫 T J，如下圖為貼裝好的板載開(kāi)關(guān)電源的切片示意圖，可以看到，元器件的封裝，PCB外層和內(nèi)層的銅厚，元器件下導(dǎo)熱孔、散熱銅的面積等因素最終都會(huì)影響到元器件工作時(shí)的最高結(jié)點(diǎn)溫度。
板載開(kāi)關(guān)電源切片示意圖
元器件的工作結(jié)溫TJ，通?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得到。
環(huán)境溫度（TA）:
通常來(lái)講，環(huán)境溫度（T A
）由應(yīng)用場(chǎng)景決定，產(chǎn)品的最高工作環(huán)境溫度通常來(lái)說(shuō)是一個(gè)固定值。 當(dāng)環(huán)境溫度（TA）和最大結(jié)溫（TJ-MAX）都是確定值后，根據(jù)結(jié)溫TJ的計(jì)算公式，只能調(diào)整元器件的耗散功率和熱阻。
耗散功率（PD）： 耗散功率是指電路在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量或能量損耗。較小的耗散功率意味著電路能夠更高效地轉(zhuǎn)換電能，能夠提高能源利用率的同時(shí)還有助于降低電路工作溫度。
熱阻（θJA）：指的是元器件結(jié)點(diǎn)到周圍空氣的總熱阻，單位是°C/W。功率損耗乘以θJA即可得出溫度的變化值。熱阻越低，在給定的功率損耗和環(huán)境溫度下，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)越低。
熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)
通常來(lái)講，只能通過(guò)降低耗散功率和降低熱阻，來(lái)滿足 結(jié)溫 T J 的要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常會(huì)使用高效率的開(kāi)關(guān)電源芯片來(lái)降低耗散功率，選用熱阻低的芯片封裝和設(shè)計(jì)PCB板材，增大PCB散熱面積來(lái)降低熱阻。也可以使用散熱鰭片和風(fēng)冷/液冷來(lái)降低元器件的工作溫度，但是這種散熱方案價(jià)格更加昂貴而且會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品體積變大。
Die Attach Paddle (DAP)的封裝熱阻低
根據(jù)熱量耗散餅圖，熱量是圍繞著熱源徑向向外輻射，隨著距離的增加，輻射的熱量逐步衰減。餅圖覆蓋的區(qū)域內(nèi)，元器件都會(huì)受到熱源的影響，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，不同溫度環(huán)的環(huán)境溫升不同。
熱量耗散餅圖
在切割散熱平面的時(shí)候，應(yīng)該盡可能的進(jìn)行徑向切割，盡量避免在散熱路徑上面出現(xiàn)熱瓶頸，讓熱量能夠徑向有效擴(kuò)散。同時(shí)要保證靠近熱源的銅皮和熱源良好連接，這樣整個(gè)散熱平面才能起到散熱作用。
Layout 分割良好的散熱平面
未徑向分割的散熱平面出現(xiàn)熱瓶頸
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)講，DC/DC轉(zhuǎn)換器和電感都是能量損耗的關(guān)鍵部分，通常的設(shè)計(jì)指南會(huì)讓電感盡量靠近DC/DC轉(zhuǎn)換器，減少EMI輻射。但是這會(huì)造成兩個(gè)熱源相互疊加，出現(xiàn)局部熱區(qū)。
熱源相互疊加之后出現(xiàn)熱區(qū)
發(fā)熱元器件的“熱足跡”是PCB上參與元器件封裝輻射和對(duì)流的區(qū)域，其面積大約是元件封裝面積的18倍。如果熱足跡重疊，元件的溫度會(huì)急劇上升。當(dāng)封裝之間的距離小于封裝尺寸的兩倍時(shí)，影響最為明顯。
不同熱源間距產(chǎn)生的熱足跡
在板載開(kāi)關(guān)電源layout的工程實(shí)踐中，熱設(shè)計(jì)只是需要考慮的諸多因素之一。甚至很多設(shè)計(jì)指南會(huì)和熱設(shè)計(jì)的原則相沖突，例如：為了最小化開(kāi)關(guān)器件的布線區(qū)域，MOSFET和電感都需要盡可能的靠近開(kāi)關(guān)電源芯片。開(kāi)關(guān)路徑上的徑向散熱平面，過(guò)寬的走線會(huì)加劇EMI輻射。因此，在工程實(shí)踐中需要多方面綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以參考以下設(shè)計(jì)實(shí)踐：
盡量選擇封裝熱阻低的元器件，優(yōu)選使用DAP封裝的器件，封裝最靠近發(fā)熱核心，封裝熱阻低能大幅降低整體的熱阻（θJA）。
熱源同側(cè)的散熱銅面盡可能做到面積最大，做為和熱源連接最緊密的銅皮，散熱效率是最高的。
使用厚銅工藝，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可以選擇3oz以上的厚銅工藝，銅厚越厚，熱阻越低。
盡可能加寬熱源元器件引腳扇出的走線寬度，走線寬度越寬，熱阻越低。
盡可能避免破壞連續(xù)的散熱平面，保證熱源的徑向散熱方向有連續(xù)的散熱平面。
使用足夠多的過(guò)孔將散熱平面連接在一起，從而降低整個(gè)散熱平面的熱阻，避免出現(xiàn)熱瓶頸。
盡量避免將熱源擠在一起，如果空間有限，多個(gè)熱源布局在相近，需要評(píng)估使用散熱片或者風(fēng)冷散熱。
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