頂部散熱還是底部散熱，哪種方式更適合高功率降壓轉換？

自動駕駛是所有汽車OEM在這個時代面臨的新一波重要趨勢，車輛內的電子控制單元（ECU）數量急劇增加。其中涵蓋了諸多應用，例如駕駛輔助攝像頭、數據融合ECU以及它們各自的功耗管理。根據應用和操作范圍，預調節器的輸出功率范圍不等，小至停車輔助ECU的幾瓦特，大至數據融合ECU的上百瓦特。本系列文章將闡述使用散熱片降低電子器件熱應力的潛在意義，以及系統熱性能與各種因素（例如散熱片的位置和尺寸）的相關性。

之前我們分享了高功率降壓轉換的散熱評估測試原理概述，對比了三種不同配置下電路板熱性能。今天將為大家重點介紹在設計高輸出功率預調節器時使用散熱片的效果。

有無散熱片比較

圖24和25顯示了在沒有和有頂面散熱片的情況下MOSFET的溫度變化。在較高電流下，沒有散熱片的低邊MOSFET比帶有頂面散熱片的 MOSFET 更熱。低邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低30°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，帶有25mm散熱片的MOSFET的溫度降低了22°C。

圖24.帶和不帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度變化

高邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低33°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，使用25mm散熱片時，MOSFET 的溫度降低了26°C。

圖25.帶和不帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度變化

圖26和27顯示了在沒有和有底面散熱片的情況下MOSFET的溫度變化。在較高電流下，沒有散熱片的低邊MOSFET比有底面散熱片的MOSFET更熱。低邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低29°C。同樣，與沒有散熱片的MOSFET相比，帶有25mm散熱片的 MOSFET 的溫度降低了23°C。

圖26.帶和不帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度變化

高邊MOSFET在20.0A時使用60mm散熱片比不使用散熱片時大約低31°C。同樣，與沒有散熱片相比，具有25mm散熱片的MOSFET的溫度降低了25°C。

圖27.帶和不帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度變化

間隙墊的影響

對于60mm散熱片，下面的測量結果是在20.0A負載電流下使用3W/(m·K)和6W/(m·K)間隙墊記錄的，以了解間隙墊厚度對熱性能的影響。兩種不同的間隙墊是KERAFOL 86/300 SOFTTHERM和86/600 SOFTTHERM，如本白皮書開頭的表2所示。

使用頂面散熱片的情況下，當間隙墊從3W/(m·K)改為6W/(m·K)時（熱阻約為原來的一半），觀察到低邊 MOSFET 的溫度降低了1.6%，高邊MOSFET的溫度降低了3.5%（表 15）。

表15.  帶頂面散熱片的間隙墊

使用底面散熱片的情況下，測得低邊MOSFET的溫度降低約7.6%，高邊MOSFET的溫度降低約6.6%（表 16）。

表16.  帶底面散熱片的間隙墊

頂面裸露焊盤與底面裸露焊盤

正如突出顯示的那樣，PCB針對良好的導熱性和散熱性進行了優化，可作為MOSFET的非常有效的散熱片。在存在多個熱源且PCB的散熱能力有限的實際應用中，這種方法通常不可取。首選的散熱方法是通過與PCB熱連接的ECU外殼進行散熱。采用“頂面散熱”封裝的MOSFET可實現熱源 (MOSFET) 和散熱片（外殼）之間的最低熱阻，允許頂面MOSFET的裸露焊盤與散熱片之間的直接熱連接，同時最大限度地減少熱量流入PCB。

需要具有相同管芯但不同封裝的MOSFET來直接比較它們的熱性能。之前的所有測量均使用NVMFS5C460NL，但此MOSFET在“頂面散熱”封裝變體中不可用。所以NVMFS5C450N（SO-8FL底面裸露焊盤）和 NVMJST3D3N04C（“頂面散熱”封裝，頂面裸露焊盤）被選擇用于以下測量。

NVMJST3D3N04C僅作為標準級器件提供，而NVMFS5C460NL是邏輯級器件。在這種應用中，標準級器件的效率預計會略低于邏輯級器件。盡管如此，由于損耗并不大，因此只能比較熱性能、NVMFS5C450N和NVMJST3D3N04C的差異。

表17.  封裝概覽

SO-8FL中NVMFS5C450N頂面的塑料表面積為31.7mm2，與LFPAK10 TC中NVMJST3D3N04C底面的塑料表面 (27.0mm2) 相比稍大.兩種器件的裸露焊盤大小大致相同。

高度為25mm的散熱片用于以下測量，以避免散熱片的任何限制并最大限度地提高熱性能以優化加熱時的任何差異。

底面裸露焊盤MOSFET測量 (NVMFS5C450N)

表18和19顯示了帶和不帶散熱片的高邊和低邊MOSFET (NVMFS5C450N) 的溫度。散熱片安裝在MOSFET的頂面（塑料外殼）。

表18.  NVMFS5C450N-無散熱片

表19.  NVMFS5C450N-頂面有25mm散熱片

圖28.NVMFS5C450N-帶和不帶散熱片的低邊MOSFET溫度

圖29. NVMFS5C450N-帶和不帶散熱片的高邊MOSFET溫度

圖28和29顯示了使用安裝在MOSFET塑料頂面上的散熱片改善低邊和高邊MOSFET的散熱效果。

在5.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約6°C，而高邊MOSFET的溫度低約8°C。而在20.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約40°C，而高邊MOSFET的溫度低約37°C。

兩項測量的熱性能均在預期范圍內，散熱片可顯著降低MOSFET溫度。通常，由于柵極電荷較高，因此NVMFS5C450N的開關速度較慢，因此溫度高于之前使用NVMFS5C460NL進行的測量結果。甚至導通電阻也略低。

頂面裸露焊盤MOSFET測量 (NVMJST3D3N04C)

表20和21顯示了帶和不帶散熱片的高邊和低邊MOSFET (NVMJST3D3N04C)的溫度。散熱片安裝在MOSFET的頂面（裸露焊盤）。

表20.  NVMJST3D3N04C-無散熱片

表21.  NVMJST3D3N04C-頂面有25mm散熱片

圖30. NVMJST3D3N04C-帶和不帶散熱片的低邊MOSFET溫度

圖31.NVMJST3D3N04C-帶和不帶散熱片的高邊MOSFET溫度

圖30和31顯示了使用安裝在MOSFET頂面裸露焊盤上的散熱片改善低邊和高邊MOSFET的散熱效果。

在5.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約8°C，而高邊MOSFET的溫度低約10°C。而在20.0A負載電流下，低邊MOSFET的溫度比沒有散熱片時低約40°C，而高邊MOSFET的溫度低約37°C。

此外，在此測量中，熱性能符合預期。由于NVMJST3D3N04C和NVMFS5C450N使用相同的管芯，損耗和發熱高于之前使用NVMFS5C460NL的測量值，這是由于更高的柵極充電器導致開關損耗更高。

底面和頂面裸露焊盤之間的比較

圖32比較了底面 (NVMFS5C450N) 和頂面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盤的低邊MOSFET溫度，頂面有散熱片。

圖32.NVMFS5C450N與NVMJST3D3N04C-低邊MOSFET溫度（帶散熱片）

圖33比較了底面 (NVMFS5C450N) 和頂面 (NVMJST3D3N04C) 裸露焊盤的高邊MOSFET溫度，頂面有散熱片。

圖33.NVMFS5C450N與NVMJST3D3N04C-高邊MOSFET溫度（帶散熱片）

通常，此特定PCB和設置的熱性能非常相似，與是否使用帶有底面或頂面裸露焊盤的MOSFET以及MOSFET封裝頂面的散熱片無關。對于低邊MOSFET，底面裸露焊盤封裝的性能略好于頂面裸露焊盤，對于高邊MOSFET，反之亦然。

對于帶有底面裸露焊盤的MOSFET，大量熱量流入PCB，優化為有效的散熱片。MOSFET頂面塑料表面上的散熱片也有助于降低MOSFET溫度。

頂面裸露焊盤的MOSFET在PCB和底面塑料表面之間的熱耦合相對較差。但是，焊接到PCB上的引線也會讓熱量流入PCB。MOSFET頂面的裸露焊盤連接到散熱片并有效地散發熱量。

兩種配置都通過MOSFET封裝的底面和頂面進行散熱。對于底面裸露封裝，MOSFET和PCB之間的熱阻比MOSFET和散熱片之間的熱阻更低。對于頂面裸露封裝，反之亦然；MOSFET和散熱片之間的熱阻較低。這導致使用完全不同的配置可以實現相似的熱性能，并且可以為兩種類型的封裝實施有效的散熱。

結論

不同的測量結果和對比顯示了連接到電源的散熱片對MOSFET溫度的影響。根據結果，可以得出以下結論對給定設置有效：

如果使用具有底面裸露焊盤的MOSFET，同時使用經過熱優化的PCB進行導熱和散熱，則散熱片無論是安裝 PCB的底面還是MOSFET的頂面，MOSFET溫度之間的差異僅為不到3°C。

MOSFET溫度取決于散熱片尺寸。

◆ 在20.0A負載電流下，與沒有任何散熱片的設置相比，使用60mm散熱片的MOSFET溫度大約低30°C。

◆ 與沒有任何散熱片的設置相比，使用25mm散熱片時，MOSFET的溫度大約降低15至20°C。

◆ 使用10mm散熱片時，MOSFET的溫度比沒有任何散熱片的設置低10°C。

◆ 該溫度變化與三個散熱片的熱阻成正比。它還表明，如果使用熱優化的PCB布局，散熱片需要一定的質量和導熱性才能顯著降低溫度。

25mm和60mm散熱片在20.0A負載電流下的MOSFET溫度差異為6°C，低于最初預期。

在不超過15.0A負載電流的情況下，25mm和60mm散熱片之間的MOSFET溫差相對較低，只有2°C左右。負載電流高于15.0A時，溫差最大增加約6°C。

這表明需要擇優選擇散熱片，以更好地兼顧成本和散熱性能的改善。

具有頂面裸露焊盤和散熱片的MOSFET可實現與底面裸露焊盤安裝在經過熱優化的PCB上且散熱片位于封裝頂面的MOSFET類似的熱性能。如果要盡量減少流入PCB的熱量，則帶有頂面裸露焊盤的MOSFET是正確的選擇，因為它們對安裝在封裝頂面的散熱片具有最小的熱阻。

所有測量都是一致的、可重復的，并且符合一般的理論預期。這證明電氣和機械設置都運行正常且可靠。

當然，該測試裝置與實際應用相去甚遠，比如在帶有散熱片的定制鋁外殼內部，電源屬于復雜ECU的一部分。但是，它解釋了不同參數的影響，例如散熱片的熱阻或間隙墊厚度對MOSFET溫度的影響。它還清楚地表明，將散熱片安裝在熱源頂面（本例中為MOSFET）或PCB的另一面（假設PCB布局經過熱優化，所有層上都有散熱孔和更大的銅面積，以允許散熱流過PCB）可以達到類似的性能。

如果要盡量減少流入PCB的熱量，則應使用頂面裸露焊盤連接到散熱片的MOSFET。