MOS管散熱設計經(jīng)驗分享圖文-KIA MOS管

MOSFET的失效很多都是由于過(guò)熱導致的，那么在選件選型，電路設計及PCB布局時(shí)就要格外注意應用情況和設計余量，確保MOSFET的Tj不會(huì )超過(guò)其最大值。

MOSFET散熱設計一定要注意的幾個(gè)經(jīng)驗：

數據手冊中的熱阻值其實(shí)沒(méi)什么用

并不是散熱銅箔面積越大，散熱效果就會(huì )好

在元件正下方設置無(wú)電氣連接的銅箔對散熱也是有幫助的

過(guò)孔越多，散熱效果不一定越好

元件以外的溫度影響不容忽視

1. 數據手冊中的熱阻值其實(shí)沒(méi)什么用

在數據手冊中通常會(huì )列出MOSFET 熱阻值Rth(j-a)和Rth(j-mb)

Rth(j-a): 指器件結點(diǎn)（die）到周?chē)h(huán)境的熱阻?？梢岳斫鉃槭荕OSFET元件本身的固有屬性，無(wú)法通過(guò)外界的措施加以改善；

Rth(j-mb): 指器件結點(diǎn)到焊接襯底的熱阻。焊接襯底通常定義為焊接到 PCB 的點(diǎn)，也是唯一首要的熱傳導路徑。

但要注意的是，表格中給出的值是有測試條件的，如果不是一樣的測試條件，熱阻值將會(huì )不同。如表格下面的注釋中明確提到焊接在FR4類(lèi)型的PCB上，只有一層銅箔，銅箔表面是鍍錫的，并且采用的是標準的焊盤(pán)封裝。

然而在實(shí)際的PCB布局上，基本上都不是只有一層銅箔，也有可能用沒(méi)有鍍錫的OSP材質(zhì)的PCB，所以數據手冊中的數據是絕對不能直接應用在實(shí)際產(chǎn)品的溫度計算中的，而是要根據實(shí)際的電路消耗和PCB布局情況通過(guò)仿真或者測量的方式來(lái)獲得真實(shí)可信的溫度Tj數據。

2. 并不是散熱銅箔面積越大，散熱效果就會(huì )好

通過(guò)下面的仿真模型來(lái)看一看散熱銅箔面積與元件Tj的關(guān)系。

下面的仿真模型為一個(gè)MOSFET器件焊接在了尺寸為 40 x 40 mm，FR 4 材質(zhì)的 PCB 上，元件下面的直接相接觸的銅箔為邊長(cháng)x mm的正方形，周?chē)h(huán)境溫度為20°C。

經(jīng)過(guò)擴大焊盤(pán)銅箔的邊長(cháng)，不斷地進(jìn)行Tj的仿真，繪制出下面的曲線(xiàn)?？梢钥闯觯?/span>

結點(diǎn)溫度Tj很大程度上依賴(lài)于邊長(cháng)x，或者說(shuō)是單層銅箔的面積。

但隨著(zhù)銅箔面積的增大，Tj的下降將放緩，增大到一定面積后，Tj將不再受銅箔面積的影響。這也展示了“效果遞減法則”的道理。

所以并不是焊盤(pán)的銅箔面積越大，元件的散熱效果就越好。

3. 在元件正下方設置無(wú)電氣連接的銅箔對散熱也是有幫助的

上面展示了一層PCB板，將散熱銅箔面積增加到一定大小之后，散熱效果將不再明顯。那么這時(shí)我們就可以將PCB板變?yōu)閮蓪影?，并在元件的正下方添加相應的銅箔幫助散熱，即使沒(méi)有電氣連接的過(guò)孔也是有幫助的。

基于第二部分的仿真模型，在元件的正下方設置面積為25mm x 25mm的銅箔，通過(guò)變化頂層焊盤(pán)銅箔的面積，發(fā)現即使沒(méi)有電氣連接性的銅箔也是對散熱是有幫助的。

原因可以理解為熱是通過(guò)熱輻射的方式進(jìn)行上下層之間的傳導的。

通過(guò)上面的仿真結果圖，當頂層元件密度較高時(shí)，可以考慮將頂層銅箔面積從 25 x 25 mm 減小到大約 15 x 15mm，然后在底層添加25mm x 25mm的銅箔，這樣就可以保證相同的熱性性能（Tj都是56°C左右）。

4. 過(guò)孔越多，散熱效果不一定越好

一般來(lái)講在器件下方加入過(guò)孔可以提升熱性能，但我們卻很難知道需要加幾個(gè)過(guò)孔才是最佳的方案。添加過(guò)孔時(shí)要考慮EMC和PCB成本兩個(gè)方面，做到與散熱性能的平衡。

EMC：考慮到EMC向外輻射及信號互相串擾的路徑，一般需要PCB中有一層完整的地平面用來(lái)屏蔽，但過(guò)孔的增加勢必會(huì )將破壞地平面的整體性。

PCB成本：每一個(gè)過(guò)孔都是由鉆頭鉆出來(lái)的，所以會(huì )增加PCB制作的成本。

上面的仿真結果圖表明了從器件下面無(wú)過(guò)孔到器件下面有 20 個(gè)過(guò)孔，器件的Tj有明顯的下降。這清楚表明，熱能從 MOSFET 散熱片通過(guò)過(guò)孔傳導至第四層，其結果同預料的完全一致。

但也可以發(fā)現，盡管在器件下面逐步增加了過(guò)孔的個(gè)數（由20增加到了77個(gè)）卻沒(méi)有導致Tj額外的降溫。這是因為我們加入更多的過(guò)孔，雖然使得 PCB 板的層與層之間的熱傳導增加，但同時(shí)也減小了可以暴露在空氣中與器件接觸的第一層 PCB 銅箔的面積。

因此我們并沒(méi)有看到熱性能方面大幅提升。因此結論是通過(guò)加入過(guò)孔可以提高散熱性能，但繼續加入過(guò)多的過(guò)孔，對散熱性能不會(huì )有明顯的提升。

5. 元件以外的溫度影響不容忽視

MOSFET結合點(diǎn)溫度Tj是由自身發(fā)熱所產(chǎn)生的溫度和環(huán)境溫度共同組成的。

想辦法更好地散熱的同時(shí)也要注意到元件以外的溫度，如：

產(chǎn)品所在的環(huán)境溫度：一般為客戶(hù)需求，不能更改。

元件周?chē)欠裼衅渌吖β?，大發(fā)熱量的器件：這會(huì )通過(guò)熱輻射的方式來(lái)提升元件周?chē)臏囟?，造成理論設計計算中考慮不到的失效。

增加空氣對流散熱方式：產(chǎn)品是否可以加入風(fēng)扇來(lái)加快空氣流動(dòng)，提高散熱性能。

MOSFET的散熱不光靠焊接襯底，也可以通過(guò)管腳來(lái)散熱，所以增大管腳焊盤(pán)的銅箔面積也是有積極效果的。

極限情況下也可以考慮加入散熱片來(lái)增加散熱面積。

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