作者：Sushrut Pattar、Matthias Ulmann
自动驾驶是所有汽车 OEM 在这个时代面临的新一波重要趋势。近年来车辆中的电子控制单元 (ECU) 数量显著增加，覆盖驾驶辅助摄像头和数据融合等各类应用。这些 ECU 各自的功耗也有所增加。根据应用和工作范围，预稳压器的输出功率各不相等，如停车辅助 ECU 低至几瓦特，而数据融合 ECU 则高达上百瓦特。
图 1.顶部带有散热器的 PCB 图像
基于 100 W 降压转换器的一系列广泛测试测定了散热器及其尺寸和位置对 MOSFET 结温的影响。测量结果还比较了底部带有裸露焊盘的 MOSFET 与顶部带有裸露焊盘的 MOSFET，即我们所称的“顶部散热”封装。
PCB 设计采用顶部散热技术的优势
除了对热管理产生重要影响外，顶部散热技术还可为 PCB 设计提供若干优势，堪称一种有效的解决方案：
与传统底部散热技术相比，顶部散热技术提供更好的机械稳定性。通过将散热器直接连接到功率半导体组件的顶部，可大幅降低机械应力或损坏的风险，从而提高可靠性并延长组件寿命。
与传统底部散热技术相比，顶部散热技术提供更高的 EMI 性能。顶部散热技术可减少功率半导体组件产生的电噪声，有助于确保符合 EMI 和 EMC 标准。
风冷需要留出的额外空间以容纳风扇或其他散热器件，相比之下，顶部散热技术可实现更紧凑的设计。由于无需额外散热组件，顶部散热技术可减少系统的总尺寸和重量，这对于空间通常有限的汽车应用来显得格外重要。
在实际应用中，PCB 面积有限，铜面积较小，产生的大部分热量将从 ECU 外壳散逸。顶部散热封装非常适合这种情况。与传统底部裸露焊盘封装不同的是，由于顶部的裸露焊盘与外壳直接接触，大部分热量从顶部流出，只有适量的热量经过 PCB 从底部流出，因此不会使 PCB 温度升高。双面散热不仅延长了 PCB 使用寿命，还提高了系统可靠性。
图 2.PCB 散热方法示意图
100 W 降压转换器电路板经过优化，各层中的铜面积增大，顶部和底部裸露焊盘封装之间的热性能无显著差异。但是，这有力地表明了 PCB 布局的重要性，无需采用任何昂贵的散热系统即可获得出色的热性能。
测量结果以清晰排列的图形对比形式呈现，可能会令人感到意外。当然，该测试装置与实际应用相去甚远，比如电源作为复杂 ECU 的一部分，在定制铝外壳内部，带有散热片。然而，它说明了不同参数（比如散热器的热阻或间隙焊盘厚度）对 MOSFET 温度的影响，同时还清楚地表明，无论将散热器安装在热源顶部（在本例中是 MOSFET）还是 PCB 的另一面，都能实现类似的性能。该测试假设，通过热通孔和增加各层上的铜面积，PCB 布局的热性能可得到优化，从而容许热量流经 PCB。为了将流入 PCB 的热量减至最少，带有顶部裸露焊盘的 MOSFET 应连接到散热器。
图 3.采用顶部散热器的 LS MOSFET 温度测量结果图
请参考我们最新的白皮书：适用于高功率降压转换的散热概念评估。该白皮书说明了使用散热器降低电子器件热应力的潜在意义，以及系统热性能与散热器位置和尺寸等不同因素之间的相关性。
提高热管理性能
在汽车应用中，有效的热管理对于高功率降压转换至关重要。随着功率密度不断提高，需要采用新的方案解决传统底部散热技术的局限性。
顶部散热提供更直接的散热路径，可以优化从功率半导体组件到散热器的热传递，从而降低工作温度并提高效率，这对于汽车应用中的高功率降压转换至关重要。与传统底部散热技术相比，顶部散热技术的热性能可提高多达 70%。这是因为顶部散热提供更直接的散热路径，可以优化热传递和散热。
该白皮书明确说明了测试装置、MOSFET 中的损耗计算（用于根据测量值设定预期），以及不同高度散热器（10 mm、25 mm 和 60 mm ）的测量数据。散热片高度对热阻的影响是不可思议的。在实际应用中，散热器高度也要根据可用空间和成本仔细地加以考虑。此外，对具有不同热阻的间隙焊盘进行的测试表明，从热源到散热器的热传递存在一定影响。带散热器的 MOSFET 与不带散热器的 MOSFET 存在大约 30°C 的温差；不同散热器和负载电流带来的差异同样显著。测试结果与理论预期高度吻合。成本、可用空间以及许多其他因素对于选择合适的散热系统都至关重要。
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作者
Sushrut Pattar，汽车现场应用工程师
Sushrut Pattar 于 2020 年加入安森美，参加为期一年的轮岗计划。他设计了汽车LED 驱动器模块和 USB-C 充电参考设计，并根据 CISPR-25 标准进行 EMI 测量。他于 2021 年转任汽车领域应用工程师，为汽车Tier1客户在先进驾驶辅助系统(ADAS)、制动系统和xEV应用（如主驱逆变器、PTC加热器等）方面提供技术支持，基于安森美的产品组合提供可靠的解决方案。他积极参与设计参考设计、实验室测量和文档编制以及应用注释的出版。
Sushrut 于 2019 年获得德国达姆施塔特应用技术大学(Darmstadt University of Applied Sciences)动力工程硕士学位。
Matthias Ulmann，现场应用经理
Matthias Ulmann是安森美在欧洲的ADAS 现场应用工程(FAE)团队的负责人。他于 2018 年加入公司，担任现场应用工程师，与德国Tier1密切合作，专注于 ADAS 应用。此前，他曾在德州仪器担任参考设计工程师。他的设计活动涵盖适用于所有应用领域的隔离和非隔离 DC/DC 转换器。他于2006年获得乌尔姆大学(Ulm University)电气工程学位。
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