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PCB板级电路元件功耗散热估算

本文中,功耗指的是消耗在该元件本身的功率,此元件的负载功率不计在内。作最坏情况估算,假设功耗全部转换为热能,导致该元件温度上升,直到功耗和散热达到平衡。如果散热不佳或功耗过大,温升超过元件(对于芯片,一般是PN结温)的工作温度上限,元件被烧毁。PN结温升的一个重要参量是热阻,表征每W功耗导致温升多少摄氏度。大部分元件工作温度上限是100~150度,设计时一般限制升温不超过环境温度20~50度。

元件散热直接跟封装和PCB板相关。封装具体分为以下因素:塑料封装外壳、引脚、焊脚的尺寸。绝大多数元件的封装都是标准型号,同一元件不同封装型号的热阻都会在手册上列出。虽然热阻跟器件种类有关,但是可以用一些典型值对所有相同封装型号的器件估算,比如8脚双列直插SOIC-8的大多在200W/C左右, 自带散热边的如SOT-89多在50~100W/C。

 

PCB板上的焊盘尺寸、铜皮走线、有无散热片以及散热片尺寸、导热硅胶的厚度材料等是影响散热的另一系列主要因素。元件产生热量一般大部分通过引脚-焊盘-铜线传导至整个PCB板,因此保证这条路径的有效散热极为重要。

 

实际设计中,大部分芯片都是用于处理模拟或数字信号,因此功耗一般不大,通常本身的封装尺寸就足够散热;单片机、FPGA等运算类芯片功耗很大,但是一般尺寸也大,管脚很多,也无须特别考虑散热;电阻的功耗很好计算,而且额定功耗也都直接标出,如1/8,1/4,1/2,1W等;电容、二级管在挑选时只要严格按照电流电压的限制,一般功耗都是次要因素。剩下需要特别考虑的主要是电源类芯片,和工作频率较高的器件,如频繁开关状态下的晶体管、各种各样的驱动芯片和通信芯片等。

 

开关晶体管:

由于工作频率很高,开关管一般功耗较大。仅以power MOS为例分析,功耗主要考虑驱动栅极电荷的充放电和开关瞬间源漏功耗。

第一项按此式计算 Qg*Vgate*fs, Qg是打开MOS管所需的栅极电荷,虽然只是充放电容,但是这部分电荷最终是损耗在各种寄生回路的电阻上的。

第二项计算比较复杂,主要与输出电容和工作电压、工作模式(软开关时MOS管损耗小)有关,一般需要查阅数据手册中的图线进行估计。

 

电源类芯片:

这一类主要是用于供应整块PCB上的各级电源电压,包括线性稳压源(主要是LDO)、开关电源、电荷泵、电平变换芯片。这里以最常用的线性稳压源为例。

首先简要介绍LDO,本质可以理解为一个电阻分压器,这直接决定了LDO的应用场合:输出电压比输入电压低;低压小电流(12V,5V,3.3V,以及50~1000mA);对转换效率没有高要求。由于结构简单(一款极其经典的78**家族LDO,很多只有3个管脚),成本低,所以大量应用在PCB板级芯片供电。

在介绍LDO工作原理之前,先定义输入输出的概念。比如已有5V电源,在PCB板上某处想把5V传换成3.3V用作一些芯片的电源,那么5V是LDO的输入,3.3V是输出。核心器件是一个可以通过较大电流(mA)的晶体管如三极管、MOS管、达林顿管,输入输出管脚分接在集射(或源漏)两极,输入电流流过晶体管直接拖动下级负载,成为输出电流(输入输出电流基本相等),损失的1.7V电压就是消耗在晶体管的输出级,这也是LDO效率一般很低的原因。第二个环节是负反馈稳压电路,对输出电压采样然后和LDO内部自带的带隙电压源比较,通过内部自带的运放产生误差信号,调节晶体管基极(栅极)。这两块构成LDO主要模块,再辅助一些外围电路如短路、高温保护以及启动电路等等。

输入电压从0升到一个较低值比如1~2V时,芯片内很多模块还无法启动,比如带隙电压基准,因此输出电压保持在0V;输入电压继续增加,主要模块开始工作,晶体管工作在线性区,输出电压大致线性跟随输入电压增长,直至输出电压达到额定工作值,如3.3V,此时输入输出压差定义为dropout,这是选择LDO的很重要的参数;之后输出电压稳定在3.3V,不受输入电压增加的影响。

下面LDO的功耗就可以很方便的用该式估算,P=(Vout-Vin)*Iout+Ig*Vin。Ig是用于供应芯片内部各个环节静态工作的电流,一般较小(1mA),可以从手册中查到。Iout是负载电流,其实和输入电流只差Ig。计算Iout时需要估算累加PCB板上所有使用该输出电压的环节,一般来说mA量级的电流、10mW量级的功耗都不能忽略,对于双列直插SOIC,10mW就带来2度的升温,这也是多数电源芯片都用SOT封装的原因。

如果估算的升温超标,一般的做法如下:

1换封装或芯片,同一封装也可以选用芯片底部自带金属散热面的型号。

2 在LDO输入串联电阻,需要根据负载电流以及容许的温升估算阻值以及功耗。这样把部分压降从LDO的晶体管转移到该串联电阻上。

2 增加焊盘面积,对于芯片带有散热边或底部散热面的,PCB板上应该对应布裸露铜皮或大块焊盘散热,比如对于LDO,1平方厘米的铜皮能将热阻降到20~50。如果仍然超标,可以用铝合金散热器。

3 对于LDO尽量使输入输出电压相差不大,以保证较低的功耗。如果压差过大,并且负载电流也较大,可以考虑换成开关电源、或电荷泵电源。很多12V到5V的转换就不用LDO。

 


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