Тепло

Время: ~35 мин

Цели урока

считать температуру кристалла по мощности и тепловому сопротивлению
понимать, что θJA из даташита относится к конкретной тестовой плате
использовать медь платы и термопереходы как радиатор
понимать, когда без отдельного радиатора не обойтись

Что нужно знать заранее

Всё, что рассеивает мощность, греется (урок 1.3). Для резистора это значит «не превысить номинальную мощность». Для микросхем и транзисторов важнее другое: температура кристалла не должна превысить предел из даташита, обычно 125–150 °C. Плата — это не только провода, но и главный радиатор для большинства SMD-компонентов.

Тепловое сопротивление

Тепло течёт от горячего к холодному, как ток от высокого потенциала к низкому. Отсюда удобная аналогия с законом Ома:

Электричество	Тепло
ток I, А	мощность P, Вт
напряжение U, В	разность температур ΔT, °C
сопротивление R, Ом	тепловое сопротивление θ, °C/Вт

ΔT = P · θ, а последовательные тепловые сопротивления складываются, как резисторы:

TJ = TA + P · (θJC + θCB + θBA)

где TJ — температура кристалла (junction), TA — окружающего воздуха (ambient), θJC — кристалл → корпус, θCB — корпус → плата, θBA — плата → воздух.

Рис. 5.8. Слева: корпус с теплоотводящей площадкой (exposed pad) припаян к меди, термопереходы передают тепло на полигон нижнего слоя. Справа: тот же путь как цепочка тепловых сопротивлений. Перегрев кристалла ΔT = P·(θJC + θCB + θBA), так же как падение напряжения на последовательных резисторах.

Из учебникагл. 6, §6.04, с. 329–333

Хоровиц вводит тепловое сопротивление как отношение перепада температур к передаваемой мощности и показывает, что для цепочки «переход — корпус — радиатор — среда» сопротивления просто складываются. В примере на с. 331 он нарочно держит переход заметно ниже предельной температуры из даташита: при температурах около предела надёжность резко падает. Там же — максимальные температуры переходов (около 150 °C для пластиковых корпусов) и сопротивления изолирующих прокладок (десятые доли °C/Вт).

θJA из даташита — не константа

Даташиты обычно дают θJA — тепловое сопротивление «кристалл — воздух». Подвох: его измеряют на стандартной тестовой плате по методике JEDEC (серия JESD51), с определённым количеством меди. На твоей плате меди может быть меньше или больше, и реальное θJA будет другим, иногда в разы.

Поэтому θJA годится для сравнения корпусов и для первой оценки, а итог зависит от разводки. Хорошие даташиты прямо пишут, сколько меди было под корпусом, или приводят график θJA от площади меди.

Пример расчёта

Линейный стабилизатор понижает 5 В до 3,3 В при токе 0,3 А.

Мощность на стабилизаторе: P = (5 − 3,3) · 0,3 = 0,51 Вт (урок 3.6).
Допустим, в даташите для корпуса SOT-223 указано θJA = 60 °C/Вт (условное значение для примера, смотри свой даташит).
При TA = 40 °C внутри корпуса устройства: TJ = 40 + 0,51 · 60 ≈ 71 °C — с хорошим запасом до 125 °C.
Если ток вырастет до 1 А: P = 1,7 Вт, TJ = 40 + 1,7 · 60 ≈ 142 °C — на грани. Нужна большая медь под теплоотводом, другой корпус или импульсный преобразователь.

Медь платы как радиатор

У многих силовых корпусов (SOT-223, DPAK, корпуса с открытой площадкой — exposed pad, PowerPAD) есть металлический теплоотвод, который паяется на плату. Как помочь ему отдать тепло:

Площадь меди. Подключай теплоотводящую площадку к полигону как можно большей площади прямым подключением, без термобарьеров (урок 5.6). Обычно это полигон той цепи, к которой подключён теплоотвод (часто земля или выход).
Обе стороны. На двухслойной плате медь нижнего слоя работает как второй радиатор, если соединить её с верхней.
Термопереходы (thermal vias). Массив переходных отверстий под площадкой передаёт тепло на нижний слой. Типичные рекомендации производителей: отверстия 0,25–0,35 мм с шагом около 1,0–1,2 мм. Конкретные значения для своего корпуса бери из даташита или рекомендаций производителя (например, TI SLMA002 для корпусов PowerPAD).
Припой в переходах. Открытые отверстия в площадке утягивают припой при пайке оплавлением. Их закрывают маской со стороны дна, заполняют или делают тоньше. Обсуди это с заводом.
Воздух. Медь, закрытая со всех сторон высокими компонентами, отдаёт тепло хуже. Оставляй греющимся компонентам место.

Когда нужен радиатор

Медь платы обычно рассеивает до 1–2 Вт на один корпус при разумной площади. Больше — нужен отдельный радиатор, корпус покрупнее (TO-220 с радиатором) или другая схема. Импульсный преобразователь вместо линейного часто убирает проблему целиком: он теряет на нагрев в разы меньше.

🧯 Типичные ошибки

Посчитал TJ по θJA из даташита, а на плате корпус обжигает палец

Почему θJA измерено на тестовой плате с большим количеством меди, на твоей плате меди меньше.

Как исправить Дай корпусу больше меди с обеих сторон, добавь термопереходы, бери запас по температуре.

Теплоотвод подключён к полигону через термобарьер

Почему Спицы термобарьера — узкое горлышко для тепла.

Как исправить Для теплоотводящих площадок — прямое подключение (Direct Connect).

Термопереходы в площадке без закрытия, корпус плохо пропаялся

Почему Припой ушёл в отверстия.

Как исправить Закрытые или заполненные переходы либо рекомендация производителя корпуса; согласуй с заводом.

Проверь себя

1. Микросхема рассеивает 2 Вт, θJA = 40 °C/Вт, воздух 30 °C. Какая температура кристалла?70 °C110 °C80 °C150 °C
2. Почему θJA из даташита нельзя считать точной характеристикой твоей платы?Даташиты часто ошибаютсяОно измерено на стандартной тестовой плате; реальное зависит от меди и окруженияОно зависит от напряжения питания
3. Как подключить теплоотводящую площадку силового корпуса к полигону?Через термобарьерПрямым подключением, с термопереходами на другой слойНе подключать
4. Последовательные тепловые сопротивления…складываютсяперемножаютсяберётся наибольшее

Практическое задание~25 мин

Найди даташит стабилизатора AMS1117-3.3 или аналогичного в корпусе SOT-223. Выпиши θJA и условия, при которых оно измерено. Посчитай температуру кристалла для входного напряжения 5 В и 12 В при токе 0,5 А и TA = 40 °C. Какой вариант допустим? Что бы ты сделал со вторым?