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2024/01/29
低壓降線性穩壓器（LDO）因其工作原理，雖然能以低成本提供高電源質量，但也會不可避免地產生損耗和發熱問題。面對大壓降、大電流，LDO將長時間處于較高的工作溫度范圍，可能影響其使用壽命和可靠性。因此，通過事先分析和評估LDO在特定工作環境下的溫度，并采取一定的措施，可以有效地避免芯片在長時間的高溫下發生熱關斷和老化。
芯片的結溫主要取決于其功耗、散熱條件和環境溫度。因此，通過選擇不同的封裝版本來降低芯片的結與環境的熱阻，是一種降低結溫的有效解決方案。
目錄
1. 芯片熱阻介紹
2. 使用熱阻矩陣進行熱分析
2.1. 對θJA的誤解
2.2. 理解ΨJC & θJC
3. 在EVM板上進行LDO結溫和熱阻測試
1. 芯片熱阻介紹
由于芯片結構復雜，通常通過仿真得到熱阻的理論計算值。而在芯片實際工程應用中，工程師們將理論熱阻與實際應用問題相結合，加以歸類，得出一些具有明顯物理意義的熱阻。下圖展示了芯片焊接在PCB上時的熱阻網絡。
圖1 芯片熱阻網絡
圖中，熱量從結向上通過封裝體傳遞到封裝外殼的頂部，它們之間的熱阻之和被稱為θJC(top)；熱量從結向下，通過粘合劑、引線框架基島傳遞到底部散熱焊盤，其熱阻之和被稱為θJB；此外，通過圖中所有材料和結構，從結到外部環境的所有方向的熱量，所有路徑的整體熱阻被稱為θJA。
雖然這些熱阻可以通過建模仿真獲得，但由于存在制造誤差及其他原因，可能不甚準確。因此，在工程實踐中，通常通過芯片發熱和溫差，來計算熱阻。熱阻的定義如下：
(1-1)
這意味著不論是減少芯片的發熱、改用散熱性能更好的大型封裝、增加散熱器和風扇，還是改進PCB的散熱設計，都可以減少芯片溫升。
2. 使用熱阻矩陣進行熱分析
2.1. 對θJA的誤解
我們可以在芯片的數據手冊（datasheet）中找到一個熱阻信息矩陣，其中就包含了上述θJA和θJC(top)等參數。下表摘自NSR31系列LDO的數據手冊。NSR31完整版數據手冊官網鏈接：http://www.fanshangsj.com/10v-low-consumption-ldo-685
表1 NSR31系列的熱阻信息
需要注意的是，許多工程師會使用θJA、環境溫度和芯片功耗，來計算結溫，但這可能會產生較大的計算誤差。
從上節圖1的θJA定義可以看出，其值不僅由芯片本身決定，還很大程度上取決于具體使用的PCB。不同的應用PCB的散熱面積、層數、銅厚、板厚、材料、器件布局等方面各不相同，因此，θJA的值在不同的應用PCB上會有很大差異。大多數工程師都很關注自己PCB上芯片的狀態。因此，在熱設計中不建議使用θJA，θJA的主要優勢在于比較不同封裝類型的熱性能方面。
通常而言，幾乎所有芯片數據手冊中的θJA，都是使用行業標準板測量或仿真而得的示例值。這些行業標準平臺被稱為JEDEC High-K或JEDEC Low-K板。此外，這些JEDEC 板僅由安裝在3"x3"板上的一個IC器件組成，與實際工程應用中的PCB有顯著差異。
2.2. 理解ΨJC & θJC
為了解決應用端的實際問題，表中還提供了熱特性參數Ψ。這是聯合電子器件工程委員會（JEDEC）在20世紀90年代定義的熱指標。就評估現代封裝器件結溫而言，它是一個更為便利的指標。Ψ代表的是結與參考點之間的溫差與芯片消耗的總功率的比值，它只是一個構造出的參數。雖然其公式和單位（°C/W）與Rθ非常相似，但Ψ實際上并不是一個“熱阻”參數，其定義如下：
（2-1）
其中，ΨJC是結到殼的熱特性參數，TJC是結到殼的溫差，PD 是芯片的總耗散功率。因此，求TJ時，首先要測量外殼溫度TC，計算芯片的總耗散功率PD，再使用以下公式計算：
（2-2）
其中，ΨJC可以通過數據手冊中的熱阻信息矩陣獲取。當芯片外部散熱條件固定時，ΨJC與θJC成正比。與不同應用端差異很大的θJA相比，雖然ΨJC也受到PCB散熱能力的影響，但我們可以近似地認為，在大多數應用中，該影響并不顯著。具體原因如下。
公式（2-2）可以進一步寫為：
（2-3）
式中：PC是從結向上通過封裝體傳遞到封裝外殼頂部的熱功率。由此可得：
（2-4）
即ΨJC與θJA成正比，其值為從結到殼頂部的熱功率與芯片總耗散功率的比值。
圖2 芯片熱阻網絡簡圖
如圖2所示，根據熱阻網絡的“并聯電阻分流公式”關系，功率比相當于熱阻比的倒數：
（2-5）
式中：θCA為殼到環境的熱阻。當沒有在芯片表面安裝散熱器時，θCA遠大于θJC。由此可得，ΨJC小于θJA，因此，在工程上的實際PCB中，使用ΨJC估算結溫的誤差，遠小于使用θJA來估算的誤差。
3. 在EVM板上進行LDO結溫和熱阻測試
由于集成電路外部被塑封料（mold compound）包裹，結沒有暴露在外，因此我們無法通過熱電偶或紅外溫度計，直接測量芯片內部結點的溫度。對于許多大型封裝集成電路，例如CPU或GPU，通常會集成一個熱傳感器，用于測量TJ。但對于小型封裝集成電路，由于受到尺寸和成本的限制，大都沒有這種TJ傳感器的功能。因此，我們必須通過測試和熱分析來估算TJ。
NSR31/33/35系列LDO有8種封裝，具體信息如表2所示。采用不同封裝的各類熱阻已在芯片數據手冊的熱阻矩陣中標明。其信息概述如下。
表2 NSR3x 系列的熱阻信息
(1) 熱數據基于：JEDEC標準高K型材、JESD 51-7、四層板。
表2中所有參數均根據JEDEC標準獲得。通過表θJA比較可知，SOT-23-5L封裝的散熱性能最差，TO263-5封裝的散熱性能最好。當需要獲取LDO在特定應用電路板上的結溫時，可以使用公式（2-2）：
式中：
（3-1）
式中：VIN代表LDO輸入電壓，VOUT代表LDO輸出電壓，IOUT代表LDO輸出電流。
接下來以NSR31050-QSTAR為例，在EVM板上測量和計算其結溫和實際熱阻θ'JA，以供參考。具體來說，EVM板采用四層設計（88mm x 53mm），銅厚為1盎司，總散熱面積約為4600平方毫米，如圖3所示。
圖3 NSR31050-QSTAR EVM板
在室溫通風恒定的情況下，通過給LDO施加一定的電壓和負載，可以將其功耗從0W增加到接近熱關斷。在不同功耗設置下，讓芯片工作5分鐘溫度穩定后，使用手持式紅外測溫儀測量芯片頂殼的溫度。利用環境溫度、殼溫、功耗和ΨJC的公式，來對EVM板上芯片的結溫和熱阻 θ'JA進行估算。結果如表3所示。
表3 NSR3x系列的熱信息
圖4 部分殼溫的紅外測量結果
從表3可以看出，在此EVM板上，測得的結到環境的熱阻θ'JA約為 77.5°C/W，遠低于JEDEC 標準的207.9°C/W。
綜上所述，在實際應用中，芯片存在多種熱傳導途徑，熱量亦通過多個通道傳遞。我們很難像估算總功耗一樣，準確得到由特定途徑傳導的功耗。因此，熱特性參數ΨJC更適合用于估算結溫，利用熱特性參數ΨJC，同時結合公式（3-1）來估算結溫更為準確和嚴謹。
