MAX2116和MAX2118的散热设计

本篇应用笔记介绍了应用于MAX2116和MAX2118直接变频调谐器的热分析。这两款芯片最大的环境温度为105°C。从管壳到周围环境的热电阻为66.3°C/W。环境温度25°C时结温度的典型值为56.2°C。

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介绍

MAX2116/MAX2118采用40引脚的QFN热增强封装。裸露焊盘使得该封装成为非常有效的热导体，从而简化了散热设计。

大部分热量经过芯片的裸露焊盘扩散，封装的引脚及其顶部散热很少。连接裸露焊盘到PCB的镀铜则提供一条散热路径。镀铜表面积越大散热效果越好。

加快散热的最有效方法是使用裸露焊盘下的PCB最上面的镀铜层。由于布线的限制，这通常很难做到。第二种最佳方法是使裸露焊盘下的过孔连接到象地平面那样的实心镀铜层。MAX2116评估板就是这样一个使用双层板完成上述散热设计的好范例。

关于散热问题背景的应用笔记是"Thermal Considerations of QFN and Other Exposed-Paddle Packages."

定义

Θja = 从结到周围环境的热电阻，单位为°C/瓦。Θja是测量从芯片到周围空气的热传导电阻。 Θja包括通过顶层、底层、裸露焊盘、引脚以及与集成电路(IC)的引脚和裸露焊盘连接的任何铜皮的热传导路径。
Θjc = 从结到管壳的热电阻，单位为°C/瓦。 Θjc包括从芯片到QFN封装的裸露焊盘的热传导电阻。
Θca = 从管壳到周围环境的热电阻，单位为°C/瓦。 Θca包括从裸露焊盘到空气的热传导电阻。 Θca测量通过印刷电路板(PCB)上镀铜的热流量。在普通的管壳里， Θca是通过散热器的热传导电阻。

Tj = 结温度，单位为°C。
Tc = 管壳温度，单位为°C。管壳温度值是根据QFN封装底部的裸露焊盘中央的温度值测量得到的。
Ta = 环境温度，单位为°C，即芯片周围的空气温度。

Tja = Tj - Ta = 从结到环境的温度差，单位°C。
Tjc = Tj - Tc = 从结到管壳的温度差，单位为°C。
Tca = Tc - Ta = 从管壳到环境的温度差。

Pd = 芯片的功耗。


图1. 简单的热模型

功耗可以用一个电流源作为模型，热电阻以一个电阻为模型，而温度则以电压源为模型(见图1)。根据图1：

Θja = (Tj - Ta)/Pd

等式1

Θja是热电阻的测量值，单位为°C/W。 Θja值越小越好。从图1与等式2可以看到，对于给定的功耗值Pd， Θja值越小温度差Tja就越小。设计者可在固定的环境温度下通过减少温度差来保持低的结温度(等式3)。

Tja = Θja ×Pd

等式2

Tj = Ta + Θja × Pd

等式3

图2. 详细的热模型

Θja为Θjc与Θca之和(见图2和等式4)。对于40引脚QFN封装的MAX2116/MAX2118， Θjc被设置为2°C/W。设计者不能控制这个参数，但可以控制Θca的值

Θja = Θjc + Θca

等式4

已知

Θjc = 2°C/W，对于40引脚QFN封装的MAX2116/MAX2118。
Θja = 42.9°C/W，对于以JDEC标准⁴制造的单层电路板，1盎司镀铜，9个位于裸露焊盘下的过孔。
Θja = 30°C/W，对于以JDEC标准制造的多层1S2P板(单个信号层，两个电源平面)，2盎司铜皮，9个位于裸露焊盘下的过孔。
Tjmax = 150°C
Pdmax = 1391mW, 5.25V, 265mA
Pdnom = 975mW , 5.0V, 195mA

从上面可以看到有两个Θja的值。两个PCB根据JDEC标准制造和测量。单层板表现出非常保守的热电阻。在实际中很容易得到接近Θja = 30°C/W的多层板热电阻值。注意JDEC多层板使用2盎司铜皮和9个位于裸露焊盘下的过孔。典型的两层板使用1盎司铜皮，可能会得到稍微高于30°C/W的热电阻。


图3. MAX2116连续的功耗额定参量曲线

设计

下面是一些通用的设计指导用于确定需要的散热器。

1. 确定芯片工作时可能遇到的最大环境温度值(Ta)。假设在发热的电视上方最大的室温值是49°C，并且伴随有电路散发的6°C热量。这样可以设置最大的环境温度值为55°C。
2. 确定最大的结温度。对于MAX2116和MAX2118来说Tjmax = 150°C。
3. 确定芯片最大的功耗。根据MAX2116/MAX2118数据手册最大的电流是265mA，最大的供电电压为5.25V。Pdmax = 265mA。 5.25V = 1391mW。
4. 计算从结到环境的总共的热电阻值(等式1)。 Θja = (Tj-Ta) / Pd = 95°C / 1.391W = 68.3°C/W。所以需要具有复合热电阻为68.3°C/W的MAX2116/8与PCB。
5. Θca = Θja