 主要内容包括：①：什么是热设计 ②：什么是结温、热阻 ③：如何进行热设计 -----正文----- 一、什么是热设计 我们在电路设计用到的芯片如LDO、独立器件如MOS管、甚至被动元件阻容感都可能会有发热的情况，在发热量不大的情况下，对整体电路产生的影响微乎其微，但当发热量过大时，可能会导致电路性能下降甚至直接损坏器件。 因此在设计电路时，我们需要考虑到热设计。热设计包括计算器件的结温是否会超出极限范围、当器件发热量较高时，也要考虑为器件提供散热通道等。 此前LDO文章中的LDO热性能篇章（点击阅读LDO文章）中提到过热设计，但是仅仅是简单的粗浅估算，要求不高的电路可以这样估算，但稳定性要求比较高的电路中的热设计要严谨许多。 二、什么是结温、热阻 1. 结温 结温-Junction Temperature，指内部核心晶体管的温度，这个温度有个最高允许值叫最高结温TJ，如果在实际应用中结温超过了最高允许结温，可能导致芯片损坏。 查阅常见芯片的数据手册可以得知，一般IC的最高结温在70℃，工业级IC可能在85℃，车规级IC的最高结温在125℃，甚至有些在150℃。  图1 某电源芯片极限工况 2. 热阻 热阻（thermal resistance）是一个和热有关的性质，是指在有温度差的情形下，物体抵抗传热的能力，单位是℃/W，意为单位功率下的温升。在数据手册中的热阻分不同种类，是按照一定的标准测试出的结果，具体如下： RθJA — Junction-to-ambient thermal resistance，指结到外部环境的热阻(此外部环境在测试中不受器件自身发热影响，在实际应用中会影响，所以RθJA只用来粗略估算)，可以用来快速估算结温。 RθJC(top) — Junction-to-case (top)thermal resistance，指结到封装上表面的热阻，测试时其他方向不散热，只有上表面散热。 RθJC(buttom) — Junction-to-case (top)thermal resistance，指结到封装下表面的热阻，测试时其他方向不散热，只有下表面散热。 φJT — Junction-to-top characterization parameter，指结到封装上表面中心点的热阻，可以用来较为准确地计算结温。 φJB — Junction-to-board characterization parameter，指结到电路板的热阻。 热阻参数有这么多种，而我们在一般的电路设计时更关注的是能用来快速估算的RθJA 和能用来准确计算的φJT 。 某电源芯片数据手册查询结果如下：  图2 某电源芯片热阻参数 三、如何进行热设计 1. 用RθJA估算 一般的电路外部环境都是空气，因此只要知道外部气温，可以很方便的估算内核温度。计算方法如下： TJ=TA+( RθJA × P ) ，其中P指的是器件消耗的功率，例如一个二极管通过了1安的电流，其在1安时的压降为0.7V，那么其消耗的功率为1*0.7=0.7W；TA指外部环境温度，即工作时器件附近的空气温度，假设此二极管工作在30℃的户外；若其数据手册的热阻参数为RθJA=30℃/W，那么其结温 TJ=TA+( RθJA × P ) =30+（30*0.7）=51℃，若其允许最高结温为125℃，那么完全满足要求。 但需要明确的是，RθJA的环境温度在测试中是不会受自身发热影响的，但实际应用中如果工作在空气对流不好的条件下，器件自身发热也会导致外部空气温升，此时还按照30℃的外部环境温度来估算的结果就不准确了，如果上面的二极管例子中，其最高允许结温为70℃，理论计算出是51℃，那么19℃的裕度能否包含计算误差呢？其实是很危险的，因此要根据实际工况预留相应大小的裕度。 2. 用φJT计算 φJT 的计算方法与RθJA类似，不同的是，φJT需要在电路设计好后去实测器件封装表面中心点的温度。计算方法如下： TJ=TT+( φJT × P ) ，TT指实测封装表面中心点温度，φJT一般比较小，而RθJA一般比较大，因此相同消耗功率下，即使φJT有误差，用φJT计算出来的结果误差也会比较小。 3. 用RθJC计算 有些器件的数据手册没有给出RθJA或φJT的值，只给了RθJC的值，因此只能用RθJC来计算结温，其计算方法与φJT一样，实测封装表面平均温度，然后用如下公式计算： TJ=TC+( RθJC × P ) ，TC指封装表面平均温度，用作粗浅的估算。 4. 测温方法 上述两种计算方法都提到了要测器件表面的温度，如何能准确测得芯片实际温度呢？推荐用热电偶来测温度，如果没有这个条件，在一般的应用电路中，也可以用测温枪代替。 5. 总结 具体计算方法要根据现有参数和需求选择，一般可以先用RθJA估算，然后电路板做好后再φJT用实测计算更为准确，若参数不全，也可以用RθJC来代替估算。 ----总结---- 总结：本文介绍了热设计的概念与热设计的方法，也介绍了热阻的概念以及数据手册实际查询数据，作为一般性电路设计应用。 |
