贴片式功率器件的散热计算Heat Dispersion Calculation of Surface Mounted Power Device北京航空航天大学方佩敏自上世纪90年代开始，贴片式封装器件逐步替代了穿孔式封装器件。

近年来，除少数大功率器件还采用穿孔式封装外，极大部分器件都采用贴片式（SMD）封装。

由于贴片式功率器件封装尺寸小，不能采用加散热片的方法来散热，只能用印制板的敷铜层作为散热（一定的面积）。

因此在贴片式功率器件的应用中需要在印制板（PCB）布局前，考虑所需的敷铜层散热面积。

本文介绍Micrel 公司推荐的一种简单计算方法，它可以根据选定的功率器件和使用的条件进行计算，并用查图表的方式得出所需的散热敷铜层的面积。

由于实际情况较复杂，会影响到计算的正确性，比如使用印制板的厚度尺寸不同、敷铜层的厚度尺寸不同、印制板走线的宽度不同及机壳的容积大小和有无散热孔等，所以这种计算是一种粗略的估算。

计算过程中，可以发现设定的使用条件是否合理，选择器件的封装尺寸大小是否能满足散热的需求。

两种过热保护功率器件在工作过程中会产生热量使管芯的温度升高，在最大的功率输出时产生的热量最大，使管芯的温度升得最高。

如果散热条件不佳，则管芯的结温超过150℃时，使器件损坏（一般称为“烧掉”）。

如果散热条件良好，但使用过程中出现故障（如负载发生局部短路、线性稳压电源发生调整管短路等），则输出功率超过最大允许输出功率，会使功率器件损坏。

功率器件设计者设计了两种过热保护措施：自动热调节和过热关闭保护，提高了器件的安全性及可靠性。

用户在设计PCB 散热面积时，要保证在正常最大输出功率时不出现自动热调节（自动减小输出功率）和热关闭（无输出）现象。

只有在出现故障时才出现过热保护。

散热与热阻功率器件在工作时，管芯的热量通过封装材料传导到管壳、经管壳传到敷铜板散热面，再由散热面传到环境空气中。

这种热的传导过程中会有一定的热阻，如管芯传到管壳的热阻JC θ，管壳传到敷铜板的热阻CS θ，敷铜板散热面传到环境控制的热阻SA θ，这种热的传导（热的流向）如图1所示，图中管芯的温度结温为J T 、环境空气的温度为A T 。

温度由高的流向低的，从管芯到环境空气总的热阻JAθ与热传导过程的各热阻的关系为：SA CS JC JA θθθθ++=⑴各种热阻的单位是℃/W。

热阻大，散热差。

管芯环境空气JT AT JAθJCθCSθSAθ热的流向图1各种不同的封装，如SOT23-3、SOT223-3和SOT89-3等都有一定的封装尺寸及不同封装结构，其JC θ都不同。

同样封装及引脚数时，不同功能的器件，其JC θ是基本相同的（同样封装中因管芯尺寸不同，JC θ略有差别）。

管壳与敷铜板的接触情况不同：管壳与敷铜板紧贴着（如SOT23-3、SOIC-8），另有一些封装在器件底面有金属散热垫（如SOT89、DPAK3和DFN 封装），它直接与敷铜板焊在一起，利于散热。

两种情况下CS θ不同，管壳不与敷铜板焊接的，根据接触情况不同，其C/W 2~5.0θCS °=；管壳与敷铜板焊接的0θCS =。

热阻SA θ与散热的敷铜层面积、单面散热或双面散热及敷铜板的铜层厚度有关，另外与有无通风条件有关。

热阻JA θ与最大允许的结温J T 、环境空气的温度A T 及最大的功耗Dmax P 的关系式为：maxD A J JA P T T θ−=（单位：℃/W）⑵例如，最大允许结温为125℃，在环境温度50℃条件下工作，最大功耗为1.5W，代入上式可得C/W 50θJA°=。

计算表明：最大功耗为1.5W 时，在50℃的环境温度下工作，要使结温不超过125℃，其热阻JAθ要≤50℃/W。

热阻SA θ及单层敷铜板面积SA θ（℃／Ｗ）Micrel 公司给出了SA θ与所需的单层敷铜板、水平放置、铜层上有镀层的敷铜层的面积（以2mm 为单位）特性图，如图2所示，实线的曲线是无风冷（自然冷却）的特性，虚线是有m/sec 3.1风速气流风冷的特性。

例如，已计算出C/W 25θSA°=时，若是自然冷却，可按图2实线找出其所需的面积为2mm 3500（约mm 59mm 59×）；若C/W 30θSA °=，则所需面积为2mm 2500（mm 50mm 50×）；若C/W 30θSA °=，有m/sec 3.1的气流冷却，则其面积仅需2mm 1000（mm 6.31mm 6.31×）。

从公式（1）及公式（2）可知，SA θ可用下式表达)θθ(P T T θCS JC DmaxAJ SA +−=⑶在选定功率器件的封装后，可以找到该封装的JC θ值，并可以确定其CS θ值。

在器件资料中可找到最大允许结温J T 。

根据设计中提出使用器件的条件，如输入电压IN V 、输出电压OUT V 及输出电流OUT I 等参数及使用的环境温度A T ，可计算出Dmax P 。

则公式（3）的SA θ值可求得，相应的敷铜板面积也可以求出。

下面将举一些例子说明计算的步骤。

TO-263封装设计一线性稳压器。

已知的条件：V 0.5V OUT =，V 0.9V IN(max)=，V 6.5V IN(min)=，mA 700I OUT =，工作环境温度最高C 50°。

选择MIC2937A-5.0BU 低压差线性稳压器，其主要参数：IN V 范围可达26V，输出电流OUT I 可达mA 750，地电流mA 15I GND =，输出电压精度%2V 0.5±，最高结温C 125T J °=，3引脚TO-263封装（其C/W 3θJC °=）。

其参数能满足要求。

散热计算：1）最大输出功率计算()GNDIN(max)OUT OUT(min)IN(max)Dmax I V I V V P ×+×−=W3)mA 15V 9(A 7.0)V 9.4V 9(=×+×−=2）要求的热阻JA θ计算()C/W 25W3C 50C 125P T T θDmax A J JA °=°−°=−=3）SA θ的计算()CS JC JA SA θθθθ+−=因为TO－263的散热垫直接焊在敷铜板上，所以0θCS =，则C/W22C/W 3C/W 25θθθJC JA SA °=°−°=−=按图2的实线曲线图（无风冷）要求的敷铜层的面积为2mm 5000，可取mm 71mm 71×。

两种封装的选择要满足已知条件：V 0.5V OUT =、V 14V IN(max)=、V 6.5V IN(min)=、mA 150I OUT =、C 50T A(max)°=的线性稳压器型号是 5.0BS MIC5201−，它有两种封装：8SO −及。

223SOT −。

选择哪一种封装可按散热计算后确定。

根据 5.0BS MIC5201−资料可知：最大结温C 125T J °=，8SO −封装的C/W 100θJC °=，mA 8I GND =。

⑴Dmax P 的计算：()()W46.10.08A 14V A 15.0V 5V 14P Dmax =×+×−=⑵JA θ的计算：()C/W3.51W 46.1/C 50C 125θJA °=°−°=⑶SA θ计算：C/W48.7C/W 100C/W 3.51θSA °−=°−°=计算得SA θ是负数，说明不能满足散热要求，即8SO −封装的 5.0BS MIC5201−不能用。

采用223SOT −的计算：223SOT −的C/W 15θJC °=，它的背面金属散热垫直接焊在敷铜板上，所以0θCS =，并且该封装的mA 5.1I GND =。

⑴Dmax P 的计算：()()W4.115mA 14V A 15.0V 5V 14P Dmax =×+×−=⑵()C/W 54W 4.1/C 50C 125θJA °=°−°=⑶C/W 39C/W 15C/W 54θSA °=°−°=可从图2中找出敷铜层面积为2mm 1400。

CN5611大功率LED 驱动器的散热计算CN5611是一种大功率LED 驱动器。

其工作电压范围V 6~7.2，输出恒流驱动电流可设定，最大电流可达A 2.1；输出电流精度%8±；最高结温C 125°（超过C 125°有热关断保护），5引脚SOT89封装，C/W 10θJC °=，其典型应用电路如图3所示。

图中ISET R 是驱动电流设定电阻，内部的MOSFET N −是控制驱动电流的功率器件，这里作其散热计算（确定所需的敷铜层散热面积）。

已知条件：电源电压V 2.0V 5V DD ±=、驱动的白光LED 的电流为mA 700，其正向压降F V 范围为V 8.3~V 2.3，最大环境温度C50°⑴Dmax P 的计算（由图3可知）：()() 1.5WmA 750V 2.3V 2.5I V V P LEDmax Fmin DDmax Dmax =×−=×−=⑵JA θ的计算：()C/W50W 5.1/C 50C 125θJA °=°−°=⑶SA θ的计算：()CS JC JA SA θθθθ+−=因为SOT89的底面散热垫直接焊在敷铜板上，其0θCS =，故C/W 40C/W 10C/W 50θθθJC JA SA °=°−°=−=。

根据图2查得敷铜层面积为2mm 1600（可采用mm 40mm 40×面积作散热用）。

以上的散热面积是单面敷铜板，若采用双面敷铜板散热，其面积可乘以7.0~6.0计算。

例如上例中计算面积为2mm 1600，若采用双面敷铜板散热，并钻较多金属化孔（使上下敷铜层金属相连接），增加上下层空气流动，则上下层面积和为2mm 1120~960（与印制板厚度有关）。

不同封装的JC θ值在功率器件资料中有的给出JC θ值，但有的给出A J 值或给出器件的最大功耗值（某一温度下的值）。

这里收集了一些不同封装的JC θ值供参考。

要说明的是，同一种封装其引脚数有不同，则JC θ也有一些差别；另外，虽然封装相同，但管芯尺寸不同，其JC θ也有差别，这种差别在估算中影响不大，不同封装的JC θ如表1所示。