热特性参数与热阻抗
2019-2-5
本白皮书描述了如何确定转换器的最高工作温度，并解释了热阻抗 (Theta) 和热特性图 (Psi) 之间的差异。
1.引言
RECOM 技术支持团队常被问及的一个问题是，特定转换器的“最高工作温度是多少？”尽管有多种方法可以确定这一温度，但要给出精准答案并非易事。原因并不是我们不知道如何描述我们的产品特征，而是最终答案取决于许多不同的因素，其中许多因素与转换器本身无关。
所有电源转换器在工作时都会产生热量（内部功耗所致），如果转换器有温度要求，那么这些热量需要从封装向外逸出到周围环境中。典型的“局部过热点”热源包括具有开关结损耗的功率半导体（如晶体管和二极管）、具有直流和交流损耗的电感元件（如变压器和电感器），以及具有 I2R 损耗的功率电阻器（用于缓冲器和滤波器）。设计工程师必须将这些损耗降至最低，以最大程度地提高转换器效率，但这些损耗是无法避免的。
内部热量如何从半导体封装内的热结点向外逸出，也取决于许多因素。最短的‘最小阻力路径’通常是从结点到壳体或外壳的上表面，热能可以从那里通过对流、传导或辐射逸出到周围环境。此外，还有一些可以向周围环境发散热量的热传导路径：通过使用散热器或隔热垫并且连接到外壳的基板，通过连接 PCB 本身的安装引脚或转换器外壳的侧面或下表面。
根据不同的设置，热测量的结果可能存在很大差异。例如，什么是‘自由空气对流’冷却？冷气流是否完全无阻？或者，是否可能由于元器件间距过小、相邻电路板阻挡气流或通风不良导致外壳局部热量聚积？此外，热测量是在“静止空气”（0 LFM）下进行的，还是在自由气流 (20 LFM) 或强制风冷 (100 LFM) 下进行的？
对于板载转换器，可能还有其他问题，例如电路板是水平安装还是垂直安装，是由玻璃纤维 (FR4) 制成还是使用不同的基板，或者迹线使用的铜的厚度如何。所有这些因素都可能影响安装在电路板上器件的散热性能。
所有电源转换器在工作时都会产生热量（内部功耗所致），如果转换器有温度要求，那么这些热量需要从封装向外逸出到周围环境中。典型的“局部过热点”热源包括具有开关结损耗的功率半导体（如晶体管和二极管）、具有直流和交流损耗的电感元件（如变压器和电感器），以及具有 I2R 损耗的功率电阻器（用于缓冲器和滤波器）。设计工程师必须将这些损耗降至最低，以最大程度地提高转换器效率，但这些损耗是无法避免的。
内部热量如何从半导体封装内的热结点向外逸出，也取决于许多因素。最短的‘最小阻力路径’通常是从结点到壳体或外壳的上表面，热能可以从那里通过对流、传导或辐射逸出到周围环境。此外，还有一些可以向周围环境发散热量的热传导路径：通过使用散热器或隔热垫并且连接到外壳的基板，通过连接 PCB 本身的安装引脚或转换器外壳的侧面或下表面。
根据不同的设置，热测量的结果可能存在很大差异。例如，什么是‘自由空气对流’冷却？冷气流是否完全无阻？或者，是否可能由于元器件间距过小、相邻电路板阻挡气流或通风不良导致外壳局部热量聚积？此外，热测量是在“静止空气”（0 LFM）下进行的，还是在自由气流 (20 LFM) 或强制风冷 (100 LFM) 下进行的？
对于板载转换器，可能还有其他问题，例如电路板是水平安装还是垂直安装，是由玻璃纤维 (FR4) 制成还是使用不同的基板，或者迹线使用的铜的厚度如何。所有这些因素都可能影响安装在电路板上器件的散热性能。
2.热阻抗 (Ɵ)
计算最高工作温度通常使用热阻抗参数（Theta 或符号 Ɵ）。该参数实质上定义了从局部过热点产生热量的最小阻力路径的走向；例如，从开关晶体管的结点，通过热传导穿过转换器，然后从上表面对流到周围环境。
图中所示为一系列热阻抗：ƟJP 表示结点与晶体管封装之间的热阻抗；ƟPM 表示封装与模塑材料之间的热阻抗；ƟMC 表示模塑材料与塑料或金属壳之间的热阻抗，最后 ƟCA，表示壳体与周围环境之间的热阻抗。
图中所示为一系列热阻抗：ƟJP 表示结点与晶体管封装之间的热阻抗；ƟPM 表示封装与模塑材料之间的热阻抗；ƟMC 表示模塑材料与塑料或金属壳之间的热阻抗，最后 ƟCA，表示壳体与周围环境之间的热阻抗。
图 1：Theta 结点-环境热阻抗模型
"理论上，通过研究器件中所有不同材料的规格，可以找出或估计出所有这些不同的 Theta 值；但实际上，更简单的做法是，使用制造商数据表中指定的总热阻抗值来计算最高工作环境温度。
步骤 1: 计算内部功耗 Pdiss：
其中 ƞ 是转换器的效率（使用数据表中给出的参数，或者使用效率/负载图来找出所用负载下的工作效率，后一种方法更好）
步骤 2：计算壳体的过温值 Tover
其中 Rth 是数据表中给出的总热阻抗值（单位为 K/W）
步骤 3：计算最高工作环境温度：
其中 Tcase,max 是数据表中给出的最高壳体（或基板）温度。
例如，根据 RBBA3000-50 数据表： 以 48 V 输入电压、24 V 输出电压、50 A 输出电流的 RBBA3000-50 为例：
最高环境工作温度是多少？
步骤 1: 计算内部功耗 Pdiss：
其中 ƞ 是转换器的效率（使用数据表中给出的参数，或者使用效率/负载图来找出所用负载下的工作效率，后一种方法更好）
步骤 2：计算壳体的过温值 Tover
其中 Rth 是数据表中给出的总热阻抗值（单位为 K/W）
步骤 3：计算最高工作环境温度：
其中 Tcase,max 是数据表中给出的最高壳体（或基板）温度。
例如，根据 RBBA3000-50 数据表： 以 48 V 输入电压、24 V 输出电压、50 A 输出电流的 RBBA3000-50 为例：
最高环境工作温度是多少？
3.热特性参数 (ψ)
通过热特性参数（Psi 或符号 ψ）可以确定，最小阻力路径的热阻抗并不真正代表很多元器件的实际性能。这是因为通常可以通过多条路径从局部过热点吸收热量，特别是通过引脚，在某些转换器设计中，高达 30% 的内部热量可以通过引脚来吸收，然后通过 PCB 迹线和铜层发散到周围环境中。
因此，采用 3DPP® 结构的转换器设计为能通过转换器底部的铜焊盘传导出大部分热量
因此，采用 3DPP® 结构的转换器设计为能通过转换器底部的铜焊盘传导出大部分热量
图 2：Psi 热特性多路径散热模型
一般而言，ψJA 低于 ƟJA，但具体取决于……
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