表面黏著電源元件的散熱設計

設計工程師將越來越多地在設計中採用表面黏著元件，甚至包括電力元件。通常，通孔元件可以通過使用夾式或者螺栓式散熱器來散發多餘的熱量以保持低溫，而表面黏著元件不可能採用這樣的方法，它必須依靠在印刷電路板上的導熱印線或墊來散熱。由此產生了這個問題：電路板設計中究竟需要多少印刷電路板空間？

 

本文以Micrel公司表面黏著線性穩壓器為例，介紹如何在僅使用一個印刷電路板的銅鉑作為散熱器時是否可以正常工作。首先了解電路要求。

 

系統要求

 

V_OUT = 5.0V
V_IN(MAX) = 9.0V
V_IN(MIN) = 5.6V
I_OUT = 700mA
執行周期 = 100%
T_A = 50℃

 

根據上面的系統要求選擇750mA MIC2937A-5.0BU穩壓器，其參數為：

V_OUT = 5V ±2% (過熱時的最壞情況)

T_{J MAX} = 125℃

採用TO-263封裝，θ_JC = 3℃/W

θ_CS　0℃/W (直接焊接在電路板上)

 

初步計算

 

V_OUT(MIN) = 5V － 5×2% = 4.9V

P_D = (V_IN(MAX) - V_{OUT (MIN)})×I_OUT + (V_IN(MAX)×I)

= [9V - 4.9V]×700mA + (9V×15mA) = 3W

溫度上升的最大值， ΔT = T_J(MAX) - T_A

= 125℃ - 50℃ = 75℃

熱阻θ_JA(最壞情況):

ΔT/P_D = 75℃/3.0W = 25℃/W

 

散熱器的熱阻， θ_SA =θ_JA - (θ_JC +θ_CS)

θ_SA = 25 - (3 + 0) = 22℃/W (最大)

 

決定散熱器物理尺寸

 

圖1為散熱銅箔的總面積與熱阻的關係曲線，銅箔位於元件的正中。圖中實線為一個方形、單面、水平具有阻焊層的銅箔散熱層的面積，單位為平方毫米；虛線為一個有黑色油性塗料覆蓋的散熱銅箔面積，並採用1.3米／秒的空氣散熱。後者的散熱效果最好。

 

採用實線方案，保守設計需要5,000mm²的散熱銅箔，即71mm×71mm(每邊長2.8英寸)的正方形。

 

採用SO-8和SOT-223封裝的散熱要求

 

在下面的條件下計算散熱面積大小：

V_OUT = 5.0V

V_IN(MAX) = 14V

V_IN(MIN) = 5.6V

I_OUT = 150mA

佔空比= 100%

T_A = 50℃

在允許的條件下，電路板生產設備更容易處理雙列式SO-8封裝的元件。SO-8能滿足這個要求嗎？採用MIC2951-03BM(SO-8封裝)，可以得到以下參數：

T_{J MAX} = 125℃

θ_JC　100℃/W

 

計算採用SO-8封裝的參數

 

P_D = [14V - 5V]×150mA + (14V×8mA) = 1.46W

升高的溫度= 125℃ - 50℃ = 75℃

熱阻θ_JA(最壞的情況):

ΔT/P_D=75℃/1.46W = 51.3℃/W

 

θ_SA = 51 - 100 =-49℃/W (最大)

 

顯然，在沒有致冷條件下，SO-8不能滿足設計要求。考慮採用SOT-223封裝的MIC5201-5.0BS調壓器，該封裝比SO-8小，但其三個引腳具有很好的散熱效果。選用MIC5201-3.3BS，其相關參數如下：

T_{J MAX} = 125℃

SOT-223的熱阻θ_JC = 15℃/W

θ_CS = 0 ℃/W(直接焊在線路板上的)

 

計算採用SOT-223封裝的結果

 

P_D = [14V - 4.9V] ×150mA + (14V×1.5mA) = 1.4W

上升溫度 = 125℃ - 50℃ = 75℃

熱阻θ_JA(最壞的情況):

ΔT/P_D = 75℃/1.4W = 54℃/W

θ_SA = 54 - 15 = 39℃/W (最大)

根據以上的數據，參考圖1，採用1,400 mm²的散熱銅箔(邊長1.5英寸的正方形)可以滿足設計要求。

 

本文總結：

 

以上這些計算對表面黏著電源元件的散熱設計提供了一個參考。以前，一般採用估計進行一般化處理，但是所設計的系統並不一樣。以上的設計結果可以作為粗略的參考，實際設計中需要了解電路板的熱特性，得出更準確、滿足實際設計的結果。

 

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