瞬态传热公式（瞬态热阻曲线解读）

瞬态热阻抗是衡量设备在施加脉冲功率时的行为方式的指标，这一点很重要，因为它决定了设备在低占空比和低频脉冲负载下的行为方式。

IC 封装有许多热规格，例如JA 和JT。这些参数使得估计稳态结温变得非常简单。本文将讨论热瞬态行为和热阻抗的相关基础理论。

热参数概述

倒装芯片封装的热特性用参数JA、JT和JB来表征。 JA 是结点到环境的热阻，单位为C/W，这是一个系统级参数，在很大程度上取决于系统属性，例如安装器件的PCB 的设计和布局。其中，电路板被视为焊接到器件引线上的散热器。通过自然对流换热，90% 以上的热量从电路板而不是封装表面散发。 JA可由式（1）计算：

其中，TJ为结温（），TA为环境温度（），PD为器件散热量（W）。

JT 是一个特征参数（以C/W 为单位），表征TJ 与封装顶部温度之间的温度变化。由于从芯片到封装顶部的热流未知，JT 并不是真正的结到顶部热阻，但电路设计人员通常假设它是器件的总功率。尽管这个假设无效，但JT仍然是一个有用的参数，因为它的特性与IC封装的应用环境非常相似。例如，较薄的封装具有较小的JT 值。

但请注意，JT 会因电路板结构和气流条件而略有不同。 JT 可以用公式（2）估计：

借助JB，系统设计人员可以根据测量的电路板温度计算器件结温。 JB 规格应接近JB，因为PCB 已散发掉大部分器件热量。 TJ的计算公式（3）如下：

其中TPCB 是封装裸露焊盘附近的电路板温度(C)。图1 解释了什么是结点至环境热阻。

图1: 结点至环境热阻

较低的JA 可以通过降低PCB 热平面的电阻来实现。在传导是主要传热方法（这意味着对流冷却受到限制）的应用中，PCB 的电源平面面积对BA 的影响最为显着。

热性能

在电机驱动等应用中，高功率脉冲宽度仅限于数十或数百毫秒，这意味着设计人员必须注意热容量的影响。如果热容量足够大，即使存在高耗散峰值，它也可以将结温控制在器件的额定值范围内。因此，适当的热管理可以提高器件性能和可靠性。

传热有三种方式：传导、对流和辐射。

传导

传导是一种重要的传热方法，因为热量最终是通过表面积消散的。热量通过传导传播到所需的表面。传导传热遵循傅里叶定律，该定律指出，通过材料的热流速率与材料的横截面积和材料两端的温差成正比；相反，热流与材料的厚度成反比。某些材料（例如铜）的导热速度比其他材料（例如FR4）快。表1显示了不同材料的导热系数（K）。这些常见材料的导热率显着不同。

表1: 不同材料的电导率

对流

对流是将热量从材料表面传递到空气的方法。温升是功率耗散的结果，与表面积和传热系数(h) 成反比。 h 是风速以及电路板与环境空气之间的温差的函数。

辐射

热辐射涉及通过电磁波传递热量。其热流量与表面积成正比，与辐射元件（例如电路板、元件）温度的四次方成正比。

传导传热最适合高功率应用中的半导体。作为IC 封装热性能的标准描述，JA 在脉冲应用中几乎没有用处，甚至可能导致冗余或成本高昂的热设计。

但通过结合热阻和热容量，可以对器件的完整热阻进行建模。

热容量(CTH) 是衡量组件积聚热量能力的指标，类似于电容器积聚电荷的方式。对于给定结构的元素，CTH 取决于比热(c)、体积(V) 和密度(d)。计算公式（4）如下（单位：J/）：

特定应用（包括有源器件、封装、PCB 和外部环境）的热行为可以在电气领域与一串RC 电池进行比较，每个RC 电池都具有特征时间常数()。该常数可以用公式（5）计算：

图2 使用简化的电气模型来说明每个单元如何影响封装器件的瞬态热阻抗。

图2: 简化的等效热电路

脉冲功率操作

当功率器件承受脉冲负载时，它可以支持更高的峰值功耗。功率封装具有一定的热容量，这意味着即使器件消耗过多的功率，也不会立即达到临界TJ。对于间歇操作，功耗限制可能会延长。延长的时间取决于操作周期的持续时间（也称为脉冲持续时间）和操作发生的频率（也称为占空比）。

如图3所示，一旦设备上电，芯片立即开始升温。

图3: 芯片加热/冷却：单脉冲

如果功率继续耗散，则热量产生和耗散之间会达到平衡，从而稳定TJ。其中一些热能由设备的热容量存储。稳定条件由与晶体管及其热环境相关的热阻决定。

当功率停止消耗时，设备逐渐冷却，加热和冷却的规则相同（见图3）。然而，如果功耗在晶体管温度稳定之前停止，TJ 的峰值将低于相同水平的持续功耗所达到的峰值（见图3）。

如果第二脉冲与第一脉冲相同，则器件在第二脉冲结束时将具有比第一脉冲结束时更高的峰值温度。重复脉冲直到温度达到新的稳定值（见图4）。在这些稳定的条件下，器件温度将在平均值附近波动。

图4: 芯片加热/冷却：重复脉冲

如果一系列脉冲后的结温过高（例如TJ 125C），设备的电气性能和预期寿命可能会降低。这种情况可能发生在低占空比的高功率脉冲中，即使它们的平均功率低于设备的直流额定值。

图5 显示了较短的单功率脉冲。

图5: 短单功率脉冲

随着脉冲持续时间的增加，TJ 在脉冲结束时接近稳定值（见图6）。

图6: 长单功率脉冲

热阻抗（ZTH(JA)）反映了限时功率脉冲引起的温升。该参数提供了一种简单的方法来估计瞬态功耗条件下的器件结温。

瞬态热阻抗往往等于连续功耗的热阻，可以通过公式(6) 估算：

图7: 瞬态阻抗ZTH(JA) 与时间的关系

随着重复率变小，结点在脉冲之间逐渐完全冷却，因此每个脉冲都可以单独处理。

对于功率封装，瞬态热效应会在大约0.1 至100 秒内消散。该时间长度取决于芯片尺寸、封装类型和尺寸。另外，PCB的叠层和布局对其也有很大的影响。

PCB 充当散热器，为IC 封装提供有效将热量传递到电路板及其邻近环境的路径。因此，最大化封装电源和接地引脚所在的金属走线面积可以有效改善热传递。

TA和PD对封装的热性能影响不大。在此期间，持续时间过长的功率脉冲会产生类似于连续负载的效果。

结论

结温影响许多工作参数和器件的工作寿命。设计高功率电路的最大挑战是确定器件是否能够支持应用的需求。

有效瞬态热阻受多种因素影响，包括铜面积和布局、相邻器件的热量、PCB 上相邻器件的热质量以及器件周围的气流。准确估计温升的最佳方法是直接在应用电路中表征热阻抗。