热设计术语与计算方法：Part 1，入门必备

本公众号（@i-teches）本期跟大家分享的是热分析 和热设计 中常用的术语和计算方法，我们先通过图（一）来了解一下热设计的基本概念和术语：

图（一）来源于Freescale芯片手册

Tc（Case Temperature）：是芯片的表面温度；

Tb（Borad Temperture）：是紧挨着芯片边沿的PCB板温度；

Tj（Junction or Die Temperature）：是芯片内部结温；

Ta（Ambient Temperature）：是靠近芯片附件的环温。

而我们热设计的原则是要保证芯片工作时的结温要低于手册上的最大值，不然会影响芯片的寿命，功能等，如下文！

接下来我们再通过一款芯片的手册，如图（二），来看看手册提供了哪些热参数？

图（二）来源于TI芯片手册

第一是结温Tj，最高支持125度；

第二是热阻 ：包括die到芯片表面的热阻Rth_jc，die到PCB板的热阻Rth_jb，以及die到芯片周边环境的热阻Rth_ja。。。

它们之间的关系是：芯片功耗Rth_jx =(Tj-Tx)/ Pd（其中x代表case，或board，或ambient）。

举个例子，假如一个OEM要求它的产品最高工作温度要支持到80度，若不考虑风控worst case的情况下，这款CPU最大功耗就不能超过4W = (125-80)/11.1 (Pd=(Tj-Ta)/Rja),否则就必须加散热片或者风扇来降温了！

那如何选择散热器？一般高热传导率的散热器（包括在芯片和散热器之间填充的gap filler），会有助于散热！

我们接着上面的例子来讲，假如CPU的功耗超过了4W，是6W，那加上散热器的热模型，如图（三），这时候散热器的热阻加上导热胶的热阻就必须要小于6.69（=( Tj-Ta)/Pd-Rth_jc）!

图（三）

图（四）是几款常用散热器的热阻，我们可以清楚的看到如果选下面的任一款散热器就必须还要加风扇，不然热是无法完全散出去的，会导致Tj超标！

图（四）

如果我们要系统地分析热，就要通过工具来仿真了，例如ANSYS 的Icepak，Mentor 的FloTHERM 。。。

至于芯片的功耗怎么计算，这个还是比较复杂的，不仅涉及到use case芯片的资源用了多少，还有功耗与热耗的差别，毕竟功耗的很大一部分是有用功，并不全部转换为热。。。具体如何计算热耗，请关注我的后续推文《如何分析和计算热耗》！

另外，这里还要提一下两个容易混淆的术语room temperature（室温）和ambient temperature（环温）:

Room temperature（室温）：一般用来规定实验室，车间等环境要求，是不变的，如室温23度误差正负5度，湿度humidity 60%，这样静电影响最小，对电子产品的人为破坏性也最小。

Ambient temperature（环温）：是这个target（可以是CPU，电容电阻等，也可以是一个unit）自身或受周边热源影响而所处的工作温度，是随时变化的。

本文为本人多年项目经验积累分享，为原创内容，未经许可请勿部分或全部复制为它用！若有建议或疑问，可通过公众号私信我。

关于功能安全，硬件，PCB Layout，EMC，FPGA等设计的分享持续推新中，若感兴趣请扫码关注或搜微信公众号“i-teches”。