dsPIC30F6014A发烫：速度、功耗及封装热阻等探讨

2万 · 2011-5-8 08:20

至于热阻的问题，其实和电阻的理解是一样的：
发热的热源是个功率源，各环节的热阻其实和串联电阻是一样的，也是一级一级串联的，只不过是分布的；
而温度则相当于上面的分压，照样符合分压原理的。

热量（P）从芯片核心出来，经过封装内的热阻（R1）传到外壳，外壳再经过外壳对空气的热阻（R2）传给周围空气，周围空气再经过自己的热阻（R3）传个大环境
——中间还可能经过机箱内空气、机箱外壳、机箱外壳对空气、机箱旁边空气对室内环境、室内环境对外环境等等等等，但一般温度下影响已经很小了，一般是忽略不计的。

很明显，芯片核心对外的热阻是串联的，总热阻等于R1+R2+R3+....，而总温度则对应于功率/总热阻，当然是热阻越大温度越高（散热差），热阻越小温度越低（散热越好）。

2万 · 2011-5-8 08:54

本帖最后由 xwj 于 2011-5-8 08:56 编辑

接着说：
温度差，也就是温升C总=Cr1+CR2+Cr3+...
很明显，功率确定了时，总的温升与总热阻是呈反比的。而各环节的温升也是和各环节的热阻成反比的。
而减小任何一个环节的热阻（比如R1），那么整体的总热阻（R总）就会减小，热源的最终温度就会降低一点
——但是，既然R1的热阻减小了，它的温升也减小了，那它分得的热量岂不是呈平方减小了呢？——是的！
——那如果总的热量（功率）是一个定值，那多出来的热量呢？？？ ——当然是分给别的环节了，所以别的环节的温升就必然会增加。
——那这种情况是好事还是坏事呢？——其实，我们早就知道结果：对别的环节来说是坏事（别的环节温升会增加嘛），但对总体结果（芯片核心温度：结温）来说这是好事。

所以，说到散热好坏、说到热阻时，就得分是哪个环节了。

而你说的：

如果按这个计算，TJ应该取多少？85度吗？
那个TX就是芯片表面的温度，比如50度
那：（85-50）/（0.2A*5V）=35？

这个只是假设TJ取85，那实际的话应该取多少？

那不是说芯片表面温度越高，芯片的散热性能越好？

你这个先就把结果“假设”了，先得出个“85度”的TJ，再减去“芯片表面的温度，比如50度
”，那这很明显对应的是热量从芯片核心传到芯片外壳的这个过程（阶段），对应的是封装内的热阻。当然是芯片封装越能将热量传给外壳就越好了。

——嗯，到这里，看起来还不错嘛，外壳温度越高R1越小嘛~
但是，芯片只要将热量传个外壳就可以不管了吗？？？？
只要脑子不笨，稍微多想一点，大家就都会想到这个问题了。——因为明显不对啊，外壳温度越高明显不是好事啊~~
呵呵，答案其实大家潜意识就已经意识到了。（潜意识就是脚趾头思维啦~用脚趾头都能想到的最简单、最正确的答案，但脚趾头太简单，知道答案但不知道原因，所以我们还是还是得用大脑来分析问题;P）

休息一下，稍后继续。

2万 · 2011-5-8 09:12

看了上面的分析，我们貌似得到一个结论：

那不是说芯片表面温度越高，芯片的散热性能越好？

这不是明显不对嘛~芯片表面温度高还是好事？？？

呵呵，之所以会这样，是因为我们忽视了其他的环节，犯了片面主意了。
（——其实沿袭17楼的分析继续下来的这个分析还有个更大的错误，是严重的方法错误，最后在解释说明）

很明显，
对于一个没有散热片等其他散热环节、措施的塑封芯片，芯片只要将热量传个外壳就可以不管了吗？？？？
——当然不是！芯片还要通过外壳把热量传个周围空气，最终传个大环境才行！这必须得是这个芯片自己完成的任务！
而这才是整个系统中大头！！！
这第二个环节（R2）上面的温升这么高，说明R2太大了！这个才是水桶的短板。

而很明显，封装内的热阻（R1）传到外壳，外壳再经过外壳对空气的热阻（R2），这R1、R2加起来才是芯片的散热能力。
所以，外壳温度越高对应芯片散热能力越差才是正解。

那为什么17楼会得出那个明显不对的分析结果呢？
——呵呵，除了片面主意外，真正的原因是犯了另一错误，下文继续:)

只看该作者 · 2011-5-8 09:46

不知道你两张表格从哪来,我看到的是下面的
工作电流
61581
热工作条件
61580
不能以不同类型的单片机来相比较,每MHz的消耗电流相差太大了.况且你的计算方法也有问题,dsPIC的工作电流应该按照PLL倍频之后的频率算 ...
XIEYUANBIN 发表于 2011-5-8 07:53

晕啊，我那个手册是比较早的。。。编号为：DS70143B_CN
刚去下了最新的，也就是你那份了：DS70143C_CN

只看该作者 · 2011-5-8 09:54

24# xwj

谢谢大侠指导。。。在线等哈，多谢！

只看该作者 · 2011-5-8 10:30

不知道你两张表格从哪来,我看到的是下面的
工作电流
61581
热工作条件
61580
不能以不同类型的单片机来相比较,每MHz的消耗电流相差太大了.况且你的计算方法也有问题,dsPIC的工作电流应该按照PLL倍频之后的频率算 ...
XIEYUANBIN 发表于 2011-5-8 07:53

我是按倍频后的频率计算的呀！

只看该作者 · 2011-5-8 20:08

这里LZ忽略了一个很重要的问题，热阻一般分为两种一个是junction to case，也就是结到壳的热阻，这个值一般都比较小，即使是TQFP这样比较不利于散热的封装。另一个就是case to environment的，这个值随着封装形式的不同有巨大区别，TQFP就很不好了。以两种形式的封装为例，比如DO214的SS14二极管，在阳极下放比较大的铜皮，2盎司或者更厚的铜皮，多过孔连接至反面，多层板，那么外壳到环境的热阻是有巨大变化的，因为多数外壳到环境的热阻指的是理想状况下，你可以想象如果在铝基板上放基本上能看是理想状况，但是比如单层PCB，1盎司铜pcb，不加锡槽就有很大区别。
另外比如SS14，一般管芯是放在靠近阳极，如果用热像仪看，很容易发现阳极温度高一些，所以在阴极放多大的铜效果也不如反之。
各家的TQFP的支架形式不能乱猜，但是不管怎么放，TQFP也很难排除掉超过1W的自身发热，我相信很难把芯片本身的最高温度控制在100摄氏度以下，如果在无空气对流，1W发热，室温时。
但是QFN就很容易处理，如果使用4层PCB，7＊7mm封装，过孔直径不低于20mil，塞铜或者孔中有焊锡时，很容易做到在3W发热时热像仪观察不到85摄氏度以上的情况。

只看该作者 · 2011-5-8 20:17

TQFP是特别难处理theta ja的一种封装，一般情况下标称值都是理想值，实际的散热渠道是管脚。封装内情况没有拆封的情况下难以判定，但是一般来说各管脚散热能力误差不大。TQFP封装的最好散热方式是每根线走出后立刻加粗。以及选用TQFP而不是LQFP。
LQFP我不信有几个没有热像仪的公司可以做到39摄氏度每瓦，绝对不信。
TQFP处理的办法主要是四个：
1，刚才提到的所有走线向外扩展相当距离才打孔，这样可以扩展例如60摄氏度等温圈的直径。
2，肚子下铺铜，反面留相当大面积比较完整的铜，并且以过孔相连，过孔直径不能过小，考虑到成本，可以不塞铜，也不一定要2盎司铜，在TQFP和LQFP封装上，厚铜的作用比较小，4层板的作用也小一些，当然绝对是有很大帮助的，只是比例低于QFN封装。
3，锡槽，特别是电源和地引脚，向外15mil即可改宽加锡槽。
4，底部填充导热材料，这是降低TQFP封装表面温度最有效途径。信越和道康宁都有相应材料，可以点胶机滴注。

只看该作者 · 2011-5-8 20:20

请问你有“根据低功耗芯片（TI）推算，1M频率时消耗电流2mA，”这个相关的文档吗？

谢谢！！！

刚才测了一个TI的芯片：MSP430F2122，晶振为16M，输入的总电流才9.2mA，如果照1M频率消耗2mA的话，那16M频率应该达 ...
逆序排列发表于 2011-5-7 23:05

我想MIPS或者GHz／mA值现在控制器一般都不会写，除非单独是以这个作为强项。5
V DsPIC显然这个是弱项，再说本来就是5V系统，而且做的也不算太坏，可能就没提了，这个大部分芯片的交流参数会说得很清楚了。430的不用测，TI的文档基本上是值得相信的。

只看该作者 · 2011-5-8 21:26

junction to ambient在TQFP上的标称值比较难达到，需要通过几个工程手段使得junction to ambient，ambient我们可以看作是周围环境，实际上应该直译成可以直接碰到的东西包围在旁边的东西，大概是这样吧，那么ambient就是我们工做的主要目标，要改善周边散热条件使得实际散热能力比较接近标称值即可。
30F的TQFP的34摄氏度每瓦应该算潜力不错了。

完全是随便说说，没有找其他文档验证。有兴趣建议参考国半的老LM2596的文档看2层板散热和Cirrus的CS4525？看QFN的散热设计参考。

只看该作者 · 2011-5-8 21:33

http://www.national.com/an/AN/AN-2026.pdf 这个够了。。。

只看该作者 · 2011-5-9 08:16

32# ad827

楼主高手，学习了！

1万 · 2011-5-9 09:35

如何设计才能使芯片在高温下安全工作？
举例：假设用某芯片设计的仪表要工作在最高环境温度为85℃工作环境，如何保证芯片安全工作？
   已知封装热阻为34℃/W,最高节温为125℃
解：只要芯片工作时节温不超过最大125℃，芯片不会损坏
根据节温和热阻及环境温度，可求出芯片允许的最大工作功率=（125-85）/34=1.17W
   允许的最大电流=1.17W/5V=235mA

   留点余量，控制电流在200mA以下即可