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MOS管散熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享圖文-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2022-08-04 

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MOS管散熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享圖文-KIA MOS管


MOSFET的失效很多都是由于過熱導(dǎo)致的,那么在選件選型,電路設(shè)計(jì)及PCB布局時就要格外注意應(yīng)用情況和設(shè)計(jì)余量,確保MOSFET的Tj不會超過其最大值。


MOSFET散熱設(shè)計(jì)一定要注意的幾個經(jīng)驗(yàn):

數(shù)據(jù)手冊中的熱阻值其實(shí)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(shí)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(diǎn)(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(diǎn)到焊接襯底的熱阻。焊接襯底通常定義為焊接到 PCB 的點(diǎn),也是唯一首要的熱傳導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的焊盤封裝。


然而在實(shí)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(shí)際產(chǎn)品的溫度計(jì)算中的,而是要根據(jù)實(shí)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(shí)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(jì)


經(jīng)過擴(kuò)大焊盤銅箔的邊長,不斷地進(jìn)行Tj的仿真,繪制出下面的曲線。可以看出:

結(jié)點(diǎn)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(jì)


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(jìn)行上下層之間的傳導(dǎo)的。


MOS管 散熱 設(shè)計(jì)


通過上面的仿真結(jié)果圖,當(dāng)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?dāng)_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(jì)


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(dǎo)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(dǎo)致Tj額外的降溫。這是因?yàn)槲覀兗尤敫嗟倪^孔,雖然使得 PCB 板的層與層之間的熱傳導(dǎo)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(diǎn)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(jì)計(jì)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(fēng)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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