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  • MOS管散熱設(shè)計經(jīng)驗介紹
    • 發(fā)布時間:2022-08-27 15:51:34
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    MOS管散熱設(shè)計經(jīng)驗介紹
    MOSFET的失效很多都是由于過熱導致的,那么在選件選型,電路設(shè)計及PCB布局時就要格外注意應(yīng)用情況和設(shè)計余量,確保MOSFET的Tj不會超過其最大值。
    MOSFET散熱設(shè)計一定要注意的幾個經(jīng)驗:
    數(shù)據(jù)手冊中的熱阻值其實沒什么用
    并不是散熱銅箔面積越大,散熱效果就會好
    在元件正下方設(shè)置無電氣連接的銅箔對散熱也是有幫助的
    過孔越多,散熱效果不一定越好
    元件以外的溫度影響不容忽視
    1. 數(shù)據(jù)手冊中的熱阻值其實沒什么用
    在數(shù)據(jù)手冊中通常會列出MOSFET 熱阻值Rth(j-a)和Rth(j-mb)
    Rth(j-a): 指器件結(jié)點(die)到周圍環(huán)境的熱阻??梢岳斫鉃槭荕OSFET元件本身的固有屬性,無法通過外界的措施加以改善;
    Rth(j-mb): 指器件結(jié)點到焊接襯底的熱阻。焊接襯底通常定義為焊接到 PCB 的點,也是唯一首要的熱傳導路徑。
    但要注意的是,表格中給出的值是有測試條件的,如果不是一樣的測試條件,熱阻值將會不同。如表格下面的注釋中明確提到焊接在FR4類型的PCB上,只有一層銅箔,銅箔表面是鍍錫的,并且采用的是標準的焊盤封裝。
    然而在實際的PCB布局上,基本上都不是只有一層銅箔,也有可能用沒有鍍錫的OSP材質(zhì)的PCB,所以數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)據(jù)是絕對不能直接應(yīng)用在實際產(chǎn)品的溫度計算中的,而是要根據(jù)實際的電路消耗和PCB布局情況通過仿真或者測量的方式來獲得真實可信的溫度Tj數(shù)據(jù)。
    2. 并不是散熱銅箔面積越大,散熱效果就會好
    通過下面的仿真模型來看一看散熱銅箔面積與元件Tj的關(guān)系。
    下面的仿真模型為一個MOSFET器件焊接在了尺寸為 40 x 40 mm,F(xiàn)R 4 材質(zhì)的 PCB 上,元件下面的直接相接觸的銅箔為邊長x mm的正方形,周圍環(huán)境溫度為20°C。
    MOS管 散熱 設(shè)計
    經(jīng)過擴大焊盤銅箔的邊長,不斷地進行Tj的仿真,繪制出下面的曲線??梢钥闯觯?/div>
    結(jié)點溫度Tj很大程度上依賴于邊長x,或者說是單層銅箔的面積。
    但隨著銅箔面積的增大,Tj的下降將放緩,增大到一定面積后,Tj將不再受銅箔面積的影響。這也展示了“效果遞減法則”的道理。
    MOS管 散熱 設(shè)計
    所以并不是焊盤的銅箔面積越大,元件的散熱效果就越好。
    3. 在元件正下方設(shè)置無電氣連接的銅箔對散熱也是有幫助的
    上面展示了一層PCB板,將散熱銅箔面積增加到一定大小之后,散熱效果將不再明顯。那么這時我們就可以將PCB板變?yōu)閮蓪影?,并在元件的正下方添加相?yīng)的銅箔幫助散熱,即使沒有電氣連接的過孔也是有幫助的。
    基于第二部分的仿真模型,在元件的正下方設(shè)置面積為25mm x 25mm的銅箔,通過變化頂層焊盤銅箔的面積,發(fā)現(xiàn)即使沒有電氣連接性的銅箔也是對散熱是有幫助的。
    原因可以理解為熱是通過熱輻射的方式進行上下層之間的傳導的。
    MOS管 散熱 設(shè)計
    通過上面的仿真結(jié)果圖,當頂層元件密度較高時,可以考慮將頂層銅箔面積從 25 x 25 mm 減小到大約 15 x 15mm,然后在底層添加25mm x 25mm的銅箔,這樣就可以保證相同的熱性性能(Tj都是56°C左右)。
    4. 過孔越多,散熱效果不一定越好
    一般來講在器件下方加入過孔可以提升熱性能,但我們卻很難知道需要加幾個過孔才是最佳的方案。添加過孔時要考慮EMC和PCB成本兩個方面,做到與散熱性能的平衡。
    EMC:考慮到EMC向外輻射及信號互相串擾的路徑,一般需要PCB中有一層完整的地平面用來屏蔽,但過孔的增加勢必會將破壞地平面的整體性。
    PCB成本:每一個過孔都是由鉆頭鉆出來的,所以會增加PCB制作的成本。
    MOS管 散熱 設(shè)計
    上面的仿真結(jié)果圖表明了從器件下面無過孔到器件下面有 20 個過孔,器件的Tj有明顯的下降。這清楚表明,熱能從 MOSFET 散熱片通過過孔傳導至第四層,其結(jié)果同預(yù)料的完全一致。
    但也可以發(fā)現(xiàn),盡管在器件下面逐步增加了過孔的個數(shù)(由20增加到了77個)卻沒有導致Tj額外的降溫。這是因為我們加入更多的過孔,雖然使得 PCB 板的層與層之間的熱傳導增加,但同時也減小了可以暴露在空氣中與器件接觸的第一層 PCB 銅箔的面積。
    因此我們并沒有看到熱性能方面大幅提升。因此結(jié)論是通過加入過孔可以提高散熱性能,但繼續(xù)加入過多的過孔,對散熱性能不會有明顯的提升。
    5. 元件以外的溫度影響不容忽視
    MOSFET結(jié)合點溫度Tj是由自身發(fā)熱所產(chǎn)生的溫度和環(huán)境溫度共同組成的。
    想辦法更好地散熱的同時也要注意到元件以外的溫度,如:
    產(chǎn)品所在的環(huán)境溫度:一般為客戶需求,不能更改。
    元件周圍是否有其他高功率,大發(fā)熱量的器件:這會通過熱輻射的方式來提升元件周圍的溫度,造成理論設(shè)計計算中考慮不到的失效。
    增加空氣對流散熱方式:產(chǎn)品是否可以加入風扇來加快空氣流動,提高散熱性能。
    MOSFET的散熱不光靠焊接襯底,也可以通過管腳來散熱,所以增大管腳焊盤的銅箔面積也是有積極效果的。
    極限情況下也可以考慮加入散熱片來增加散熱面積。
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