PCB表面贴装电源器件的散热设计

本文以Micrel公司表贴线性稳压器为例,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:

V_OUT=5.0V；V_IN(MAX)=9.0V；V_IN(MIN)=5.6V；I_OUT=700mA；运行周期=100%；T_A=50℃

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

V_OUT=5V±2%(过热时的最坏情况)

T_{J MAX}=125℃。采用TO-263封装,θ_JC=3℃/W；

θ_CS≈0℃/W(直接焊接在电路板上)。

2.初步计算:

V_OUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V

P_D=(V_IN(MAX)-V_OUT(MIN))+I_OUT+(V_IN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W

温度上升的最大值, ΔT=T_J(MAX)-T_A

= 125℃-50℃=75℃；热阻θ_JA(最坏情况):ΔT/P_D=75℃/3.0W=25℃/W。

散热器的热阻, θ_SA=θ_JA-(θ_JC+θ_CS)；θ_SA=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:V_OUT=5.0V；V_IN(MAX)=14V；V_IN(MIN)=5.6V；I_OUT=150mA；占空比=100%；T_A=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:

T_{J MAX}=125℃；θ_JC≈100℃/W。

5.计算采用SO-8封装的参数:

P_D=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W；

升高的温度=125℃-50℃=75℃；

热阻θ_JA(最坏的情况):

ΔT/P_D=75℃/1.46W=51.3℃/W；

θ_SA=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:

T_{J MAX}=125℃

SOT-223的热阻θ_JC=15℃/W

θ_CS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的) 。

6.计算采用SOT-223封装的结果:

P_D=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W

上升温度=125℃-50℃=75℃；

热阻θ_JA(最坏的情况):

ΔT/P_D=75℃/1.4W=54℃/W；

θ_SA=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。

作者:Bob Wolber