設計電源管理電路時,在考察散熱問題之前對熱傳遞進行基本了解是很有幫助的。首先,熱量是一種能量,會由于兩個系統之間存在溫差而進行傳輸。熱傳遞通過三種方式進行:傳導、對流和輻射。當高溫器件接觸到低溫器件時,會發生傳導。高振幅的高溫原子與低溫材料的原子碰撞,從而增加低溫材料的動能。這種動能的增加導致高溫材料的溫度上升和低溫材料的溫度下降。
在對流中,熱傳遞發生在器件周圍的空氣中。在自然對流中,物體加熱周圍的空氣,空氣受熱時膨脹形成真空,導致冷空氣取代熱空氣。因此形成循環氣流,不斷將器件的熱量傳輸給周圍的空氣。另一種形式是強制對流,例如風扇主動吹冷空氣,從而加速取代暖空氣。當物體將電磁波(熱輻射)發送至周圍環境時就會產生輻射。輻射熱量無需介質傳遞(熱量可以通過真空輻射)。在PCB中,熱傳遞的主要方法是傳導,其次是對流。
下面的等式給出了以傳導方式熱傳遞的數學模型:
其中H是傳熱速率(單位為J/s),K為材料的導熱系數,A為面積,(TH–TL)為溫差,d為距離。當界面之間的接觸面積增大、溫差增大或界面之間的距離減少時,熱量傳導速度加快??梢詫醾鬟f模擬成一個電路,方法是將能源(熱源或前面等式中的H)等同于電流源,高溫器件與低溫器件之間的溫差等同于電壓降,(K×A/d)部分作為導熱系數,或將倒數(EQ2)等同于熱阻(單位為℃/W)。通常熱阻表示為符號θ或Rθ或只表示為RA-B,其中A和B是發生傳熱的兩個器件。使用電路模擬重寫熱傳遞速率等式,得到以下結果:
該模擬可以深入進行,以描述器件的另一個熱屬性,稱之為熱容。正如將熱阻模擬為電阻,可以將熱容(CT,單位為J/℃)模擬為電容。將熱容與熱阻并聯獲得熱阻抗(ZT)。圖1所示為傳導傳熱的簡化RC模型。能源被模型化為電模壓電感制造商流源,熱阻抗被模型化為CT與RT并聯。
圖 1. 簡化的熱阻抗模型。
在電路中,每個熱界面都有熱阻抗。熱阻抗因材料、幾何形狀、大小和方向的不同而各異。系統(或電路)的熱阻抗對環境溫度來說有一個總熱阻抗,它可以分解為電路中每個元件的熱阻抗的并聯和串聯的組合。例如,在半導體器件中,晶粒(也稱作結)與周圍空氣(稱作熱阻抗)之一體成型電感器生產廠家間的總熱阻抗,即由結到環境之間的熱阻抗(ZJ-A),將是結構中每個單獨材料的單個熱阻抗的總和。
考慮到 在PCB上安裝的分立MOSFET。穩態熱阻抗(或熱阻RJ-A)是結到器件外殼的熱阻(R功率電感制造商J-C)、器件外殼到散熱器的熱阻(RC-S)與散熱器到空氣的熱阻(RS-A)之和。(RJ-A=RJ-C+RC-S+RS-A)。此外,還可以有并行的散熱路徑,例如從MOSFET結經過器件外殼到PCB,再從PCB到環境溫度。
通常情況下,半導體制造商會給出結點到器件外殼的熱阻。另一方面,RC-S和RS-A主要取決于散熱器和PCB的屬性。許多因素會影響熱阻RC-A或RC-S,包括PCB的層數、到輔助面的過孔數、與其他器件的接近程度以及氣流速率。通常RJ-A會列在器件數據表中,但該數字是在特定測試板條件下得出的,因此僅適用于在相同條件下測量的器件之間的比較。
熱阻(RJA)是電子元器件的重要參數,因為它是器件散熱的指標(基于環境條件和 PCB布板)。換言之,RJ-A可以幫助我們根據環境條件和功耗估算工作結溫。