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PCB表面貼裝電源器件的散熱設計
2014/10/24
Levi
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介紹如何在僅使用一個印制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。
1.系統要求:
VOUT=5.0V；VIN(MAX)=9.0V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=700mA；運行周期=100%；TA=50℃根據上面的系統要求選擇750mA MIC2937A-5.0BU穩壓器，其參數為：
VOUT=5V±2%(過熱時的最壞情況)TJ MAX=125℃。采用TO-263封裝，θJC=3℃/W；θCS≈0℃/W(直接焊接在電路板上)。
2.初步計算：
VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9VPD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W溫度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃；熱阻θJA(最壞情況):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W。
散熱器的熱阻, θSA=θJA-(θJC+θCS)；θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大)。
3.決定散熱器物理尺寸：
采用一個方形、單面、水平具有阻焊層的銅箔散熱層與一個有黑色油性涂料覆蓋的散熱銅箔，并采用1.3米/秒的空氣散熱的方案相比較，后者的散熱效果最好。
采用實線方案，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。
4.采用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：VOUT=5.0V；VIN(MAX)=14V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=150mA；占空比=100%；TA=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封裝的器件。SO-8能滿足這個要求嗎？采用MIC2951-03BM(SO-8封裝)，可以得到以下參數：
TJ MAX=125℃；θJC≈100℃/W。
5.計算采用SO-8封裝的參數：
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W；升高的溫度=125℃-50℃=75℃；熱阻θJA(最壞的情況):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W；θSA=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。考慮采用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：
TJ MAX=125℃SOT-223的熱阻θJC=15℃/WθCS=0 ℃/W(直接焊在線路板上的) 。
6.計算采用SOT-223封裝的結果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W上升溫度=125℃-50℃=75℃；熱阻θJA(最壞的情況):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W；θSA=54-15=39℃/W(最大)。根據以上的數據，參考圖1，采用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。
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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