技术分享 | 使用热阻矩阵进行LDO热分析的指南

低压降线性稳压器（LDO）因其工作原理，虽然能以低成本提供高电源质量，但也会不可避免地产生损耗和发热问题。面对大压降、大电流，LDO将长时间处于较高的工作温度范围，可能影响其使用寿命和可靠性。因此，通过事先分析和评估LDO在特定工作环境下的温度，并采取一定的措施，可以有效地避免芯片在长时间的高温下发生热关断和老化。

芯片的结温主要取决于其功耗、散热条件和环境温度。因此，通过选择不同的封装版本来降低芯片的结与环境的热阻，是一种降低结温的有效解决方案。

目录

1. 芯片热阻介绍

2. 使用热阻矩阵进行热分析

2.1. 对θ_JA的误解

2.2. 理解Ψ_JC & θ_JC

3. 在EVM板上进行LDO结温和热阻测试

1. 芯片热阻介绍

由于芯片结构复杂，通常通过仿真得到热阻的理论计算值。而在芯片实际工程应用中，工程师们将理论热阻与实际应用问题相结合，加以归类，得出一些具有明显物理意义的热阻。下图展示了芯片焊接在PCB上时的热阻网络。

图1 芯片热阻网络

图中，热量从结向上通过封装体传递到封装外壳的顶部，它们之间的热阻之和被称为θ_JC(top)；热量从结向下，通过粘合剂、引线框架基岛传递到底部散热焊盘，其热阻之和被称为θ_JB；此外，通过图中所有材料和结构，从结到外部环境的所有方向的热量，所有路径的整体热阻被称为θ_JA。

虽然这些热阻可以通过建模仿真获得，但由于存在制造误差及其他原因，可能不甚准确。因此，在工程实践中，通常通过芯片发热和温差，来计算热阻。热阻的定义如下：

(1-1)

这意味着不论是减少芯片的发热、改用散热性能更好的大型封装、增加散热器和风扇，还是改进PCB的散热设计，都可以减少芯片温升。

2. 使用热阻矩阵进行热分析
2.1. 对θ_JA的误解

我们可以在芯片的数据手册（datasheet）中找到一个热阻信息矩阵，其中就包含了上述θ_JA和θ_JC(top)等参数。下表摘自NSR31系列LDO的数据手册。NSR31完整版数据手册官网链接：https://www.novosns.com/10v-low-consumption-ldo-685

表1 NSR31系列的热阻信息

需要注意的是，许多工程师会使用θ_JA、环境温度和芯片功耗，来计算结温，但这可能会产生较大的计算误差。
从上节图1的θ_JA定义可以看出，其值不仅由芯片本身决定，还很大程度上取决于具体使用的PCB。不同的应用PCB的散热面积、层数、铜厚、板厚、材料、器件布局等方面各不相同，因此，θ_JA的值在不同的应用PCB上会有很大差异。大多数工程师都很关注自己PCB上芯片的状态。因此，在热设计中不建议使用θ_JA，θ_JA的主要优势在于比较不同封装类型的热性能方面。

通常而言，几乎所有芯片数据手册中的θ_JA，都是使用行业标准板测量或仿真而得的示例值。这些行业标准平台被称为JEDEC High-K或JEDEC Low-K板。此外，这些JEDEC 板仅由安装在3"x3"板上的一个IC器件组成，与实际工程应用中的PCB有显著差异。

2.2. 理解Ψ_JC & θ_JC

为了解决应用端的实际问题，表中还提供了热特性参数Ψ。这是联合电子器件工程委员会（JEDEC）在20世纪90年代定义的热指标。就评估现代封装器件结温而言，它是一个更为便利的指标。Ψ代表的是结与参考点之间的温差与芯片消耗的总功率的比值，它只是一个构造出的参数。虽然其公式和单位（°C/W）与R_θ非常相似，但Ψ实际上并不是一个“热阻”参数，其定义如下：

（2-1）

其中，Ψ_JC是结到壳的热特性参数，T_JC是结到壳的温差，P_D 是芯片的总耗散功率。因此，求T_J时，首先要测量外壳温度T_C，计算芯片的总耗散功率P_D，再使用以下公式计算：

（2-2）

其中，Ψ_JC可以通过数据手册中的热阻信息矩阵获取。当芯片外部散热条件固定时，Ψ_JC与θ_JC成正比。与不同应用端差异很大的θ_JA相比，虽然Ψ_JC也受到PCB散热能力的影响，但我们可以近似地认为，在大多数应用中，该影响并不显著。具体原因如下。

公式（2-2）可以进一步写为：

（2-3）

式中：P_C是从结向上通过封装体传递到封装外壳顶部的热功率。由此可得：

（2-4）

即Ψ_JC与θ_JA成正比，其值为从结到壳顶部的热功率与芯片总耗散功率的比值。

图2 芯片热阻网络简图

如图2所示，根据热阻网络的“并联电阻分流公式”关系，功率比相当于热阻比的倒数：

（2-5）

式中：θ_CA为壳到环境的热阻。当没有在芯片表面安装散热器时，θ_CA远大于θ_JC。由此可得，Ψ_JC小于θ_JA，因此，在工程上的实际PCB中，使用Ψ_JC估算结温的误差，远小于使用θ_JA来估算的误差。

3. 在EVM板上进行LDO结温和热阻测试
由于集成电路外部被塑封料（mold compound）包裹，结没有暴露在外，因此我们无法通过热电偶或红外温度计，直接测量芯片内部结点的温度。对于许多大型封装集成电路，例如CPU或GPU，通常会集成一个热传感器，用于测量T_J。但对于小型封装集成电路，由于受到尺寸和成本的限制，大都没有这种T_J传感器的功能。因此，我们必须通过测试和热分析来估算T_J。
NSR31/33/35系列LDO有8种封装，具体信息如表2所示。采用不同封装的各类热阻已在芯片数据手册的热阻矩阵中标明。其信息概述如下。

表2 NSR3x 系列的热阻信息

(1) 热数据基于：JEDEC标准高K型材、JESD 51-7、四层板。

表2中所有参数均根据JEDEC标准获得。通过表θ_JA比较可知，SOT-23-5L封装的散热性能最差，TO263-5封装的散热性能最好。当需要获取LDO在特定应用电路板上的结温时，可以使用公式（2-2）：

式中：（3-1）

式中：V_IN代表LDO输入电压，V_OUT代表LDO输出电压，I_OUT代表LDO输出电流。

接下来以NSR31050-QSTAR为例，在EVM板上测量和计算其结温和实际热阻θ'_JA，以供参考。具体来说，EVM板采用四层设计（88mm x 53mm），铜厚为1盎司，总散热面积约为4600平方毫米，如图3所示。

图3 NSR31050-QSTAR EVM板

在室温通风恒定的情况下，通过给LDO施加一定的电压和负载，可以将其功耗从0W增加到接近热关断。在不同功耗设置下，让芯片工作5分钟温度稳定后，使用手持式红外测温仪测量芯片顶壳的温度。利用环境温度、壳温、功耗和Ψ_JC的公式，来对EVM板上芯片的结温和热阻 θ'_JA进行估算。结果如表3所示。

表3 NSR3x系列的热信息

图4 部分壳温的红外测量结果

从表3可以看出，在此EVM板上，测得的结到环境的热阻θ'_JA约为 77.5°C/W，远低于JEDEC 标准的207.9°C/W。

综上所述，在实际应用中，芯片存在多种热传导途径，热量亦通过多个通道传递。我们很难像估算总功耗一样，准确得到由特定途径传导的功耗。因此，热特性参数Ψ_JC更适合用于估算结温，利用热特性参数Ψ_JC，同时结合公式（3-1）来估算结温更为准确和严谨。