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電路板設(shè)計(jì)人員制作了專業(yè)設(shè)計(jì)的模擬電路板(breadboard)，并且在進(jìn)行配置前完成所有必須的模擬，也參考了制造商為達(dá)到該封裝的良好散熱效能所提供的設(shè)計(jì)技巧建議，甚至以紙筆仔細(xì)計(jì)算初步散熱分析等式，以確保電路板在維持適當(dāng)容限時(shí)能不超過(guò)IC接點(diǎn)溫度。但當(dāng)開(kāi)啟電源的時(shí)候，IC摸起來(lái)的溫度仍舊相當(dāng)高。對(duì)于這樣的結(jié)果不滿意(散熱專家和可靠性專業(yè)人員勢(shì)必也會(huì)有所顧慮)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該怎么辦？

 

就整體設(shè)計(jì)的可靠度而言，使IC接點(diǎn)的溫度低于絕對(duì)上限以便在環(huán)境溫度升高時(shí)保有電路設(shè)計(jì)的完整性，絕對(duì)是重要的設(shè)計(jì)考量。尤其在電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)設(shè)計(jì)人員不斷挑戰(zhàn)某些核心晶片的功耗上限(PD MAX)時(shí)，情況更是如此。

 

圖 1：電網(wǎng)的Theta-JA類比圖。

 

圖 2：Theta-JA 解說(shuō)。

 

分析散熱完整性的第一步是深入了解IC封裝散熱指標(biāo)的基本面。目前最常用來(lái)測(cè)量封裝散熱效能的方式是Theta JA值，這是從接點(diǎn)到環(huán)境所測(cè)得(或說(shuō)形成)的熱阻(圖1)。Theta JA值最常被拿來(lái)解析(圖2)。測(cè)量和計(jì)算Theta JA時(shí)，影響較大的因素包括以下幾項(xiàng)：

 

?掛載電路板：是/否？

?跡線：尺寸、構(gòu)成方式、厚度和體積

?方向：水平或垂直？

?環(huán)境：數(shù)量

?鄰近程度：受測(cè)的裝置附近是否有其他任何表面？

 

采用全新JEDEC標(biāo)淮的導(dǎo)線表面黏著封裝如今也具備熱阻(Theta JA)資料，并且已針對(duì)多種封裝產(chǎn)生實(shí)際資料，同時(shí)在其他封裝執(zhí)行散熱模型。這些資料是根據(jù)封裝的種類進(jìn)行分組，并依照不同的空氣流通程度顯示其Theta JA值。

 

圖 3：Theta-JC 解說(shuō)。

 

從接點(diǎn)到環(huán)境所測(cè)得的資料也包含從接點(diǎn)到機(jī)殼(Theta JC)所測(cè)得的熱阻資料(圖3)。對(duì)于使用JEDEC印刷電路板(PCB)進(jìn)行測(cè)試的封裝，其中產(chǎn)生了實(shí)際的Theta JC資料。

 

但問(wèn)題是，誰(shuí)有時(shí)間和毅力完成所有這些分析和測(cè)試？大概只有JEDEC才會(huì)這么做！本文將說(shuō)明設(shè)計(jì)人員如何在測(cè)試設(shè)計(jì)的散熱完整性時(shí)安全地省略這些步驟。

 

設(shè)計(jì)人員可藉由TI網(wǎng)站的thermaldata獲得自選封裝類型的散熱資料，并從中找到功率下降曲線、不同氣流每分鐘線性英遲(LFM)的TJA值，以及對(duì)于其自身設(shè)計(jì)相當(dāng)重要的其他模型化資料。所有這些資料將有助于裝置的溫度不超過(guò)其接點(diǎn)溫度的上限。其中特別重要的是遵循制造商的指示及JEDEC建議的封裝配置，像是采用QFN封裝。采用這些設(shè)計(jì)建議有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)作出最佳的散熱設(shè)計(jì)。

 

在設(shè)計(jì)人員完全了解模擬散熱的全貌并驗(yàn)證了電路板配置及散熱設(shè)計(jì)后，下文將解說(shuō)在不使用散熱建模軟體或熱電藕來(lái)測(cè)量實(shí)際溫度的情況下，其散熱設(shè)計(jì)實(shí)際上發(fā)揮了多少效果。資料表中所列的Theta JA額定值通常是根據(jù)JEDEC #JESD51等業(yè)界標(biāo)淮所訂定，而這些業(yè)界標(biāo)淮都是使用標(biāo)淮化配置及測(cè)試電路板。因此根據(jù)設(shè)計(jì)人員特定的印刷電路板設(shè)計(jì)需求，其散熱設(shè)計(jì)可能會(huì)有所不同，而且會(huì)有不同于標(biāo)淮的Theta JA值。

 

如果設(shè)計(jì)人員想知道其設(shè)計(jì)與最佳散熱設(shè)計(jì)在程度上有多接近，可以根據(jù)自身的印刷電路板設(shè)計(jì)進(jìn)行下列系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試(為了測(cè)試最不理想的條件狀況，請(qǐng)盡量將設(shè)定的最高電壓值提高至最大)。為得到最佳的結(jié)果，可使用烤爐(非熱感應(yīng)系統(tǒng))并且僅測(cè)量電路版周圍的TA值，因?yàn)榭緺t有熱點(diǎn)。如果可能，可在電路板下方鋪上熱絕緣墊，以避免室溫空氣影響測(cè)量結(jié)果。

 

首先，在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)境(印刷電路板)中找出IC的實(shí)際熱阻，然后將該數(shù)據(jù)與「理想」JEDEC數(shù)值相比較。一個(gè)具有過(guò)熱錯(cuò)誤旗標(biāo)(TEF)或類似功能，并可用來(lái)指示IC接點(diǎn)溫度過(guò)高的IC是必要的，例如德州儀器的TLC5940 LED驅(qū)動(dòng)器解決方案。一般而言，大多數(shù)IC的TJ上限(實(shí)際數(shù)據(jù)請(qǐng)檢查資料表)大約是150℃。對(duì)于TLC5940裝置而言，TEF將游移在150℃至170℃的TJ之間。

 

在測(cè)試中，測(cè)試電路板上特定晶片的TJ值是唯一要注意的事。在顯示所測(cè)試的特定印刷電路板具備多大熱阻抗Theta JA的等式中，這可當(dāng)作替代參考值，因此應(yīng)該足以呈現(xiàn)出散熱設(shè)計(jì)的品質(zhì)。測(cè)試多個(gè)不同的印刷電路板，可有效取樣PowerPad等部份的焊料完整性，如果晶片有某種類型的散熱片，即可正確地使用這種獨(dú)特的封裝散熱器技術(shù)。若要在其TEF可接受的條件下找出裝置的TJ上限，可將印刷電路板放入溫度箱，并且讓裝置在無(wú)負(fù)載的情況下以靜態(tài)條件進(jìn)行運(yùn)作，然后緩慢增加溫度箱的溫度，直到觸發(fā)TEF為止。觸發(fā)時(shí)的溫度箱溫度是TJ，因?yàn)門A等于TJ。此時(shí)，功耗(PD)處于相當(dāng)?shù)偷撵o態(tài)程度，而可視為零功率耗損。請(qǐng)將此溫度記錄為TJ，這將用于后續(xù)的Theta JA等式中。

 

其次，找出電路的最大功耗PD MAX。可將溫度箱的溫度提升到高于資料表所列IC環(huán)境溫度上限大約10或15度的地步(將此溫度記錄為TA)，這將使得TEF因?yàn)樽晕壹訜岫焯?。此時(shí)緩慢增加PD，直到TEF跳脫為止，使IC達(dá)到滿載。在TLC5940中，可以改變外部電阻R(IREF)以設(shè)定裝置的IO汲入電流。如果溫度過(guò)高的電路出現(xiàn)遲滯(hysteresis)，則電路將出現(xiàn)緩慢的溫度循環(huán)，此時(shí)便需要慢慢地降低PD，直到循環(huán)停止為止。此時(shí)可以將溫度箱的溫度記錄為PD MAX。

 

最后，為了得出電路板的Theta JA值，可將測(cè)得的TJ、TA及PD MAX三個(gè)值帶入以下等式中：

Theta JA = (TJ-TA)/PD MAX

如果其散熱設(shè)計(jì)良好，這個(gè)值應(yīng)該相當(dāng)接近IC資料表中的Theta JA。

幸運(yùn)的是，此種測(cè)試不需要直接測(cè)量容易產(chǎn)生測(cè)量誤差的機(jī)殼溫度(TC)或接點(diǎn)溫度(TJ)。

 

以下是一些注意事項(xiàng)：

務(wù)必先將印刷電路板放在溫度箱中幾分鐘

將VSUPPLY X IQ加入理想的PD中，以考量IQ的IC功耗。這個(gè)因素可加以忽略，不過(guò)若將其納入考量會(huì)更加精淮。

 

在本文一開(kāi)始提及的情況中，如果設(shè)計(jì)內(nèi)的PD接近到PD MAX，設(shè)計(jì)人員可以采取以下做法來(lái)提升設(shè)計(jì)的散熱效果：使用散熱效果更好的封裝。對(duì)TLC5940而言，具有PowerPad的HTSSOP可達(dá)到更好的效果。

 

圖 4：可改善散熱設(shè)計(jì)的 TLC5940 串接應(yīng)用范例參照

 

增加印刷電路板上透過(guò)PowerPad或其他散熱片進(jìn)行IC散熱的銅料厚度。

如果可能，使用流通的空氣降低IC所在環(huán)境的最高溫度。

降低裝置的PD。在測(cè)試中，有許多方式可以達(dá)到這個(gè)目的(圖4)：

 

1.降低V(LED)

2.將串聯(lián)電阻加入LED電流路徑。這不會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)的總功耗，但是會(huì)將IC封裝的部分PD移到外部串聯(lián)電阻。

 

本文小結(jié)

精良的電路設(shè)計(jì)人員都希望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電子設(shè)計(jì)，使其能夠處理最高環(huán)境溫度下最不理想的電壓及電流。其中一個(gè)常被忽略或較不受重視的部份是最壞運(yùn)作條件下該封裝的散熱設(shè)計(jì)完整性，這可能是設(shè)計(jì)中更重要的部份，因?yàn)檫@攸關(guān)電路的可靠性。

 

本文提出了較迅速簡(jiǎn)易的方式，讓設(shè)計(jì)人員得以判斷自身的設(shè)計(jì)是否達(dá)到其最佳散熱效果，其中未使用繁復(fù)費(fèi)時(shí)的方法或耗費(fèi)成本的軟體分析，另外也提供了一些降低PD或減少IC封裝本身功耗的方法。希望這些方法及工具有助于設(shè)計(jì)人員確保設(shè)計(jì)的完整性，讓設(shè)計(jì)人員有更多的時(shí)間能夠處理其他電子工程方面的問(wèn)題。