系统和组件热设计的五个阶段

电子元器件热设计的目的是防止元器件因过热或温度交变诱发热失效。电子元器件热设计包括两个方面：一方面是元器件本身的热设计，包括管芯、封装键合和管壳的热设计等；另一方面则是电子元器件的安装冷却技术，其中特别值得注意的是电子元件在印制电路板上的安装问题。这个问题涉及众多类型电子元件的各种不同形状与电气引线的布置。
可靠性研究表明，对于长期通电使用的电子设备，如元件的壳体温度超过100℃，则会导致故障率大大增加。
电源管理组件的热性能优化起初看起来很简单：只需查看数据表，找到规格，添加一些余量，就完成了。但如果你真的想优化尺寸、性能或成本，事情会很快变得复杂。
在我的经验中使用两个设备专家和系统设计师的电力，我发现这个优化过程始终分为五个阶段（如图1所示），其中有四个数据在它们之间传递。您可以跳过其中的一些，但五个阶段和四个连接始终存在。

图 1：五个阶段的流程图
有趣的是，电子系统设计师通常从左到右思考，而组件供应商从右到左。
这五个阶段是：
1.系统活动：组件活动的频率是多少，功率级别是多少？答案通常以瓦特或安培表示，或者可能以最大值的某个百分比表示。
2.设备电流：系统活动期间实际流过组件的电流是多少？答案通常以毫安或安培表示。
3.器件功耗：由于电流流动，由于内部电阻和损耗，随着热量散发多少？答案通常用米兰或瓦特表示。
4.器件温度：组件因散热而发热多少？答案通常以摄氏度表示。
5.设备可靠性：由高温操作影响的组件的寿命可靠性如何？答案通常表示为期失败（适合），定义为每10亿运营时间的一次故障。
正如我所提到的那样，这些阶段之间有四个连接。由于每个阶段具有不同的单位，因此这些连接用于计算，该计算将数据转换为在上一个或下一个阶段使用的单元。
1.用法配置文件：应用程序需要多少电流？这可以看起来像各种周期绘制的电流的曲线，使用水平的表格作为寿命的百分比或总体估计，例如85 ° C PCB温度下的50,000个电源。这些配置文件可以是典型的、典型的添加余量（例如 10%）或绝对最坏的情况。
2.设备效率：散发了多少热量（表示为供电的百分比）？例如，在 1V 和 5A 条件下效率为 90% 的器件将耗散大约 500mW。您可以在此处查找 DC/DC 转换器的一些示例数据表。
3.热参数：散发的热量如何在不使组件过热的情况下散发到环境中？通常元件贡献10-30%，PCB和环境贡献70-90%。有 JEDEC 定义的 theta 参数可以提供帮助，并且可以使用许多估计方法。图 2 显示了一些常见的热参数，以及它们如何完成从结到环境的热流路径。
4.可靠性模型：组件在现场的时间和温度下将如何表现？更高的温度通常意味着更短的使用寿命，但您如何量化它并查看您的系统的可靠性要求是否可以达到？图 3 中的“浴缸曲线”为常用模型，您可以在此处的搜索工具中找到示例设备和支持文档。

图 2：常见的热参数

图3：组件可靠性“浴缸曲线”