PCB表面贴装电源器件的散热设计

2013年9月30日 22:27
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介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作。首先了解电路要求。
1.系统要求:

    VOUT=5.0V;VIN(MAX)=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;运行周期=100%;TA=50℃

  根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A-5.0BU稳压器,其参数为:

VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况)
TJ MAX=125℃。采用TO-263封装,θJC=3℃/W;
θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上)。

2.初步计算:

    VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W

  温度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;热阻θJA(最坏情况):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W。
  散热器的热阻, θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大)。

3.决定散热器物理尺寸:

  采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔,并采用1.3米/秒的空气散热的方案相比较,后者的散热效果最好。

  采用实线方案,保守设计需要5,000mm2的散热铜箔,即71mm×71mm(每边长2.8英寸)的正方形。

4.采用SO-8和SOT-223封装的散热要求:

  在下面的条件下计算散热面积大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃。在允许的条件下,电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件。SO-8能满足这个要求吗?采用MIC2951-03BM(SO-8封装),可以得到以下参数:
TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W。

5.计算采用SO-8封装的参数:

PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W;
升高的温度=125℃-50℃=75℃;
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W;
θSA=51-100=-49℃/W(最大)。

  显然,在没有致冷条件下,SO-8不能满足设计要求。考虑采用SOT-223封装的MIC5201-5.0BS调压器,该封装比SO-8小,但其三个引脚具有很好的散热效果。选用MIC5201-3.3BS,其相关参数如下:
TJ MAX=125℃
SOT-223的热阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的) 。

6.计算采用SOT-223封装的结果:

PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W
上升温度=125℃-50℃=75℃;
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大)。根据以上的数据,参考图1,采用1,400 mm2的散热铜箔(边长1.5英寸的正方形)可以满足设计要求。

  以上的设计结果可以作为粗略的参考,实际设计中需要了解电路板的热特性,得出更准确、满足实际设计的结果。


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