本篇應用筆記介紹了應用于MAX2116和MAX2118直接變頻調諧器的熱分析。這兩款芯片最大的環境溫度為105°C。從管殼到周圍環境的熱電阻為66.3°C/W。環境溫度25°C時結溫度的典型值為56.2°C。

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介紹

MAX2116/MAX2118采用40引腳的QFN熱增強封裝。裸露焊盤使得該封裝成為非常有效的熱導體，從而簡化了散熱設計。

大部分熱量經過芯片的裸露焊盤擴散，封裝的引腳及其頂部散熱很少。連接裸露焊盤到PCB的鍍銅則提供一條散熱路徑。鍍銅表面積越大散熱效果越好。

加快散熱的最有效方法是使用裸露焊盤下的PCB最上面的鍍銅層。由于布線的限制，這通常很難做到。第二種最佳方法是使裸露焊盤下的過孔連接到象地平面那樣的實心鍍銅層。MAX2116評估板就是這樣一個使用雙層板完成上述散熱設計的好范例。

關于散熱問題背景的應用筆記是"Thermal Considerations of QFN and Other Exposed-Paddle Packages."

定義

Θja = 從結到周圍環境的熱電阻，單位為°C/瓦。Θja是測量從芯片到周圍空氣的熱傳導電阻。 Θja包括通過頂層、底層、裸露焊盤、引腳以及與集成電路(IC)的引腳和裸露焊盤連接的任何銅皮的熱傳導路徑。
Θjc = 從結到管殼的熱電阻，單位為°C/瓦。 Θjc包括從芯片到QFN封裝的裸露焊盤的熱傳導電阻。
Θca = 從管殼到周圍環境的熱電阻，單位為°C/瓦。 Θca包括從裸露焊盤到空氣的熱傳導電阻。 Θca測量通過印刷電路板(PCB)上鍍銅的熱流量。在普通的管殼里， Θca是通過散熱器的熱傳導電阻。

Tj = 結溫度，單位為°C。
Tc = 管殼溫度，單位為°C。管殼溫度值是根據QFN封裝底部的裸露焊盤中央的溫度值測量得到的。
Ta = 環境溫度，單位為°C，即芯片周圍的空氣溫度。

Tja = Tj - Ta = 從結到環境的溫度差，單位°C。
Tjc = Tj - Tc = 從結到管殼的溫度差，單位為°C。
Tca = Tc - Ta = 從管殼到環境的溫度差。

Pd = 芯片的功耗。


圖1. 簡單的熱模型

功耗可以用一個電流源作為模型，熱電阻以一個電阻為模型，而溫度則以電壓源為模型(見圖1)。根據圖1：

Θja = (Tj - Ta)/Pd

等式1

Θja是熱電阻的測量值，單位為°C/W。 Θja值越小越好。從圖1與等式2可以看到，對于給定的功耗值Pd， Θja值越小溫度差Tja就越小。設計者可在固定的環境溫度下通過減少溫度差來保持低的結溫度(等式3)。

Tja = Θja ×Pd

等式2

Tj = Ta + Θja × Pd

等式3

圖2. 詳細的熱模型

Θja為Θjc與Θca之和(見圖2和等式4)。對于40引腳QFN封裝的MAX2116/MAX2118， Θjc被設置為2°C/W。設計者不能控制這個參數，但可以控制Θca的值

Θja = Θjc + Θca

等式4

已知

Θjc = 2°C/W，對于40引腳QFN封裝的MAX2116/MAX2118。
Θja = 42.9°C/W，對于以JDEC標準⁴制造的單層電路板，1盎司鍍銅，9個位于裸露焊盤下的過孔。
Θja = 30°C/W，對于以JDEC標準制造的多層1S2P板(單個信號層，兩個電源平面)，2盎司銅皮，9個位于裸露焊盤下的過孔。
Tjmax = 150°C
Pdmax = 1391mW, 5.25V, 265mA
Pdnom = 975mW , 5.0V, 195mA

從上面可以看到有兩個Θja的值。兩個PCB根據JDEC標準制造和測量。單層板表現出非常保守的熱電阻。在實際中很容易得到接近Θja = 30°C/W的多層板熱電阻值。注意JDEC多層板使用2盎司銅皮和9個位于裸露焊盤下的過孔。典型的兩層板使用1盎司銅皮，可能會得到稍微高于30°C/W的熱電阻。


圖3. MAX2116連續的功耗額定參量曲線

設計

下面是一些通用的設計指導用于確定需要的散熱器。

1. 確定芯片工作時可能遇到的最大環境溫度值(Ta)。假設在發熱的電視上方最大的室溫值是49°C，并且伴隨有電路散發的6°C熱量。這樣可以設置最大的環境溫度值為55°C。
2. 確定最大的結溫度。對于MAX2116和MAX2118來說Tjmax = 150°C。
3. 確定芯片最大的功耗。根據MAX2116/MAX2118數據手冊最大的電流是265mA，最大的供電電壓為5.25V。Pdmax = 265mA。 5.25V = 1391mW。
4. 計算從結到環境的總共的熱電阻值(等式1)。 Θja = (Tj-Ta) / Pd = 95°C / 1.391W = 68.3°C/W。所以需要具有復合熱電阻為68.3°C/W的MAX2116/8與PCB。
5. Θca = Θja