1 簡(jiǎn)介

LDO 具有相對(duì)簡(jiǎn)單性和成本優(yōu)勢(shì)，因此是電子電源設(shè)計(jì)中最常見的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。隨著應(yīng)用日益集成化與小型化，電源設(shè)計(jì)需向更小尺寸、更低成本方向發(fā)展，這導(dǎo)致 LDO 的使用量不斷增加。由于 LDO 屬于線性轉(zhuǎn)換器，本身存在功耗，因此熱性能成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中愈發(fā)重要的考量因素。盡管 JEDEC 已制定了半導(dǎo)體熱性能參數(shù)的統(tǒng)一測(cè)量與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)在熱性能優(yōu)化方面尚未完善。影響熱性能的最重要因素之一在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，即 PCB 布局。本應(yīng)用報(bào)告旨在研究 PCB 布局對(duì) LDO 熱性能的影響，為設(shè)計(jì)人員提供參考。盡管此前已有《采用小型 SMD 封裝的 LDO 熱性能》應(yīng)用報(bào)告 和《AN-1520 確保外露封裝實(shí)現(xiàn)出色熱阻的電路板布局布線指南》應(yīng)用報(bào)告 探討過(guò)該主題，但本研究通過(guò)在功能性場(chǎng)景下采集數(shù)據(jù)，力求提升結(jié)論的實(shí)用性。該設(shè)置包括帶有無(wú)源器件（模擬 TI 評(píng)估模塊 (EVM)）的功能 PCB 布局以及通過(guò)有源供電進(jìn)行的熱性能測(cè)量。有源供電是指將 LDO 置于正常工作狀態(tài)，并通過(guò)改變輸入電壓與負(fù)載電流來(lái)增加器件功耗，使器件結(jié)區(qū)產(chǎn)生熱量。

評(píng)估半導(dǎo)體熱性能最常用的參數(shù)是結(jié)到環(huán)境熱阻 θ_JA。方程式 1 顯示，該參數(shù)定義為器件每消耗 1 瓦功率時(shí)，器件工作溫度與結(jié)溫差值，公式如下：

方程式 1.

在特定功耗水平下，設(shè)計(jì)中 θ_JA 越小，器件結(jié)溫越低，從而可提升器件壽命與可靠性。《半導(dǎo)體和 IC 封裝熱指標(biāo)》應(yīng)用報(bào)告 指出，對(duì) θ_JA 影響較大的兩個(gè)因素是 PCB 布局與 IC 封裝。TPS745（WSON 封裝）、TPS7B82-Q1（TO-252 封裝）和 TLV755P（SOT-23 封裝）三款 LDO 采用五種不同的 PCB 布局進(jìn)行了測(cè)試，以探究上述兩個(gè)因素對(duì)熱性能的影響程度。

半導(dǎo)體熱性能受氣流、海拔、環(huán)境溫度等多種外部因素影響，因此 JEDEC 需針對(duì) θ_JA 和其他熱指標(biāo)制定標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量流程與測(cè)試板。為了完成本應(yīng)用報(bào)告的測(cè)試，針對(duì)每種封裝設(shè)計(jì)了兩類測(cè)試板布局，即 https://www.jedec.org/system/files/docs/JESD51-3.PDF 中介紹的低效導(dǎo)熱性測(cè)試板的近似布局和 https://www.jedec.org/system/files/docs/jesd51-7.PDF 中介紹的高有效導(dǎo)熱性測(cè)試板的近似布局，除此之外，還額外設(shè)計(jì)了三種定制化布局。每塊電路板的面積與層疊結(jié)構(gòu)均遵循 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板近似布局：4 層 PCB，面積為 9in²（3 英寸 x 3 英寸）。外層銅箔厚度為 2 盎司，內(nèi)層銅箔厚度為 1 盎司。為每種封裝制作的五種布局中，與器件相連的銅箔量逐漸增加，此舉旨在測(cè)量結(jié)到環(huán)境熱阻 θ_JA，并驗(yàn)證其與銅箔覆蓋率之間的反比關(guān)系。為提高三款封裝測(cè)試結(jié)果的一致性，每種布局中用于散熱的銅箔量均保持一致。按銅箔含量從低到高排序，這些布局類型分別命名為：

• 1S0P 近似布局
• 內(nèi)部斷開布局
• JEDEC 高 K 近似布局
• 熱增強(qiáng)型
• 熱飽和型

根據(jù) https://www.jedec.org/system/files/docs/JESD51-9.pdf 中規(guī)定的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，所有 WSON 和 TO-252 布局的散熱焊盤處均設(shè)有散熱過(guò)孔。這些散熱過(guò)孔的直徑為 20 毫米 (mm)，孔徑為 10 毫米，銅鍍層厚度為 17 微米。

選用兩個(gè)不同的 θ_JA 值作為比較基準(zhǔn)。第一種是 θ_{JA, datasheet}，該值以 R_θJA 形式標(biāo)注在各器件數(shù)據(jù)手冊(cè)的“熱信息”表格中。θ_{JA, datasheet} 通過(guò) JEDEC 高 K 熱量測(cè)試板的熱模型推導(dǎo)得出，是設(shè)計(jì)人員評(píng)估熱性能最常用的參數(shù)。第二個(gè)值為 θ_JA,1S0P，該值通過(guò) 1S0P 近似布局實(shí)測(cè)得出。此值提供了最壞情況布局的預(yù)期熱性能示例。圖 1-1 至圖 1-5 顯示了為采用 WSON 封裝的 TPS745 設(shè)計(jì)的每個(gè)布局所生成的 3D 圖像。每種布局的四層板結(jié)構(gòu)圖可參見AppendixA。表 1-1 提供了每種設(shè)計(jì)布局和覆銅的說(shuō)明。

圖 1-1 TPS745 (WSON) 1S0P 近似布局

圖 1-2 TPS745 (WSON) 內(nèi)部斷開布局

圖 1-3 TPS745 (WSON) JEDEC 高 K 近似布局

圖 1-4 TPS745 (WSON) 熱增強(qiáng)型布局

圖 1-5 TPS745 (WSON) 熱飽和型布局