系統(tǒng)和組件熱設(shè)計(jì)的五個(gè)階段

電子元器件熱設(shè)計(jì)的目的是防止元器件因過(guò)熱或溫度交變誘發(fā)熱失效。電子元器件熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一方面是元器件本身的熱設(shè)計(jì)，包括管芯、封裝鍵合和管殼的熱設(shè)計(jì)等；另一方面則是電子元器件的安裝冷卻技術(shù)，其中特別值得注意的是電子元件在印制電路板上的安裝問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題涉及眾多類型電子元件的各種不同形狀與電氣引線的布置。
可靠性研究表明，對(duì)于長(zhǎng)期通電使用的電子設(shè)備，如元件的殼體溫度超過(guò)100℃，則會(huì)導(dǎo)致故障率大大增加。
電源管理組件的熱性能優(yōu)化起初看起來(lái)很簡(jiǎn)單：只需查看數(shù)據(jù)表，找到規(guī)格，添加一些余量，就完成了。但如果你真的想優(yōu)化尺寸、性能或成本，事情會(huì)很快變得復(fù)雜。
在我的經(jīng)驗(yàn)中使用兩個(gè)設(shè)備專家和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的電力，我發(fā)現(xiàn)這個(gè)優(yōu)化過(guò)程始終分為五個(gè)階段（如圖1所示），其中有四個(gè)數(shù)據(jù)在它們之間傳遞。您可以跳過(guò)其中的一些，但五個(gè)階段和四個(gè)連接始終存在。

圖 1：五個(gè)階段的流程圖
有趣的是，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常從左到右思考，而組件供應(yīng)商從右到左。
這五個(gè)階段是：
1.系統(tǒng)活動(dòng)：組件活動(dòng)的頻率是多少，功率級(jí)別是多少？答案通常以瓦特或安培表示，或者可能以最大值的某個(gè)百分比表示。
2.設(shè)備電流：系統(tǒng)活動(dòng)期間實(shí)際流過(guò)組件的電流是多少？答案通常以毫安或安培表示。
3.器件功耗：由于電流流動(dòng)，由于內(nèi)部電阻和損耗，隨著熱量散發(fā)多少？答案通常用米蘭或瓦特表示。
4.器件溫度：組件因散熱而發(fā)熱多少？答案通常以攝氏度表示。
5.設(shè)備可靠性：由高溫操作影響的組件的壽命可靠性如何？答案通常表示為期失?。ㄟm合），定義為每10億運(yùn)營(yíng)時(shí)間的一次故障。
正如我所提到的那樣，這些階段之間有四個(gè)連接。由于每個(gè)階段具有不同的單位，因此這些連接用于計(jì)算，該計(jì)算將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為在上一個(gè)或下一個(gè)階段使用的單元。
1.用法配置文件：應(yīng)用程序需要多少電流？這可以看起來(lái)像各種周期繪制的電流的曲線，使用水平的表格作為壽命的百分比或總體估計(jì)，例如85 ° C PCB溫度下的50,000個(gè)電源。這些配置文件可以是典型的、典型的添加余量（例如 10%）或絕對(duì)最壞的情況。
2.設(shè)備效率：散發(fā)了多少熱量（表示為供電的百分比）？例如，在 1V 和 5A 條件下效率為 90% 的器件將耗散大約 500mW。您可以在此處查找 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一些示例數(shù)據(jù)表。
3.熱參數(shù)：散發(fā)的熱量如何在不使組件過(guò)熱的情況下散發(fā)到環(huán)境中？通常元件貢獻(xiàn)10-30%，PCB和環(huán)境貢獻(xiàn)70-90%。有 JEDEC 定義的 theta 參數(shù)可以提供幫助，并且可以使用許多估計(jì)方法。圖 2 顯示了一些常見的熱參數(shù)，以及它們?nèi)绾瓮瓿蓮慕Y(jié)到環(huán)境的熱流路徑。
4.可靠性模型：組件在現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間和溫度下將如何表現(xiàn)？更高的溫度通常意味著更短的使用壽命，但您如何量化它并查看您的系統(tǒng)的可靠性要求是否可以達(dá)到？圖 3 中的“浴缸曲線”為常用模型，您可以在此處的搜索工具中找到示例設(shè)備和支持文檔。

圖 2：常見的熱參數(shù)

圖3：組件可靠性“浴缸曲線”