今日越來越多的功能被封裝進越來越小的電子模組。由於增加的功率密度，使電子工程師很難保持系統在冷卻的環境下運作。本文將檢視一個熱設計問題，這問題將導致一些非常難以預料的結果。文中對事件和名字已作更改以保護犯錯者，但數字和測量都是真的，目的在於幫助大家瞭解如何避免相同的失誤。
從錯誤中學習 實際案例探討
Joe是個年輕的工程師，在American Civil, Mechanical, and Electrical(ACME)工作，任務是為一輛汽車設計一個小電壓逆變器，這汽車採用12伏特(V)電池電源，並將其轉換為120 VAC輔助電源。該模組將被安裝在汽車的引擎室，要求工作溫度為-40℃至105℃。
由於該專案的時間安排，他決定在機構方面採用以前設計的現成外殼以縮短工程時間。這令Joe集中精力在所需的電路來完成任務。他在設計初期已意識到，選擇用來運行內部電路的線性穩壓電源IC在正常模式下會消耗約1瓦(W)功率。而在最壞的情況下，功耗可能達到2瓦。
他將這些數據交給公司的機構工程師看，他們保證這個模組的鋁外殼會產生從印刷電路板(PCB)到環境最大12℃/W的熱阻。當線性穩壓器的熱關斷設定在175℃ +/- 25℃，Joe須要確保穩壓器IC能在150℃接面溫度的最壞情況下工作。該線性穩壓器從接面到散熱片的熱阻為4.5℃/W，所以他計算了以下最壞情況下的接面溫度(公式1)：
....................................公式1
Joe看到有12℃的餘量，所以一切看起來都很好。他拿著他的第一個合格的原型模組，開始在工作台進行一些測量。室溫下的情況很好，所以他決定將該模組放進105℃烤箱看看情況怎樣。烤箱升溫後，他慢慢取出了模組。在1瓦的額定負載下，情況看起來很好，所以他決定嘗試最大負載的情況。在頭1分鐘左右，情況不錯，但後來模組突然關斷。這使Joe困惑，於是他開始四處探查，看看到底出問題出在哪裡。然後，他發現線性穩壓器的過溫關斷跳閘。
Joe將一個熱電偶置於IC上以便監測元件的溫度。他將模組放回105℃的箱子並重新進行實驗。1分鐘後溫度已升到140℃，約1分鐘後就達到155℃，然後再次關斷。
Joe找不出這個熱關斷反應的原因。他重新進行所有計算，一切看上去都是正確的。他回到機構工程師那裡，再次檢查從他們那取得的熱阻數據，他們說數據是正確的。因此，Joe決定自己測量模組，作為完整的檢查。
他取下模組，安裝了穩壓器IC，然後僅向出問題的元件施加1瓦功率。在25℃室溫，測得這IC處的印刷電路板溫度為36℃，印刷電路板到環境的熱阻為11℃/W。甚至比機構工程師說的情況還要好，因此這讓Joe更加困惑。
找出問題所在 做出抉擇修改設計
Joe決定和Bob談談他的問題。Bob是名經驗更豐富的資深工程師，他問Joe在系統中除了線性穩壓器外還有什麼其他元件，以及功耗是多少。於是Joe向Bob提供了其他元件的清單及預期功耗。將模組中的功率全部加起來，他們發現功率消耗約15瓦，不包括線性穩壓器的功率。
於是Joe決定嘗試另一個熱實驗，所有元件都處於全功率。以模組中有額外15瓦的功率耗散，線性穩壓器耗散的功率為0瓦、1瓦和2瓦，Joe在25℃測得以下印刷電路板板溫度(圖1)：
0W : 58℃
1W : 65℃
2W : 72℃
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| 圖1 在25℃所測得的印刷電路板板溫度 |
因此隨著功率增加，線性穩壓器的熱阻僅7℃/W，亦即它從11℃/W降至7℃/W。這更讓Joe困惑，於是他回到Bob那裡談論他的結果。
Bob告訴Joe，他對此結果並不感到驚訝，因為元件和環境溫度間的溫度變化越大，元件散發熱量越快。而元件散發熱量越快，所產生的氣流越多。所以在Joe的模組中，當只有線性穩壓器上電時測量，模組的溫度變化有限，並給出一個熱阻數據。但當模組完全上電時，溫度變化更大，因此散發熱量越快，產生了自己的氣流。這實際上提供了更強烈的冷卻，從而降低了由元件所觀測到的熱阻。
這是好消息，有比預期更好的熱阻，但增加了成本。起始溫度不再是25℃室溫，而是升高的58℃的「局部環境」溫度。Joe使用這個新資料重新計算接面溫度(公式2)，算得：
(其中TAmb=環境溫度+局部PCB溫度變化)
....................................公式2
Joe意識到，原來模組的散熱片不夠好，在最壞的條件下不足以保持線性穩壓器的接面冷卻。即使穩壓器本身沒有功率耗散，印刷電路板上的其他元件會導致接面達到138℃。
此時此刻，Joe只剩下以下幾個選擇：
1.用高能效交換式穩壓器替代線性穩壓器；
2.儘量減少模組中其他電路的功率消耗；
3.告訴機構工程師他需要更好的散熱片。
留意其他元件 有助釐清問題癥結
必須考慮的一點是印刷電路板上其他會產生熱量之元件的影響，特別是當它們位於關注的元件的附近。大多工程經驗法則表示，模組內的環境溫度會上升10∼15℃。但從這實例可看到，模組內部的溫度升得更高。
另一結論是，熱阻不是一個常數。事實上，它非常易變，有時可發展到無法預料的方向。可能改變印刷電路板熱阻的因素有：銅面積、銅厚度、銅的平面是無空隙還是被線隔開、通孔的數量、通孔是否被填充、散熱片設計、氣流和模組方向等等。
還要注意比較數據表上的熱阻數據時，比較的元件是在類似的條件下(類似的銅面積和厚度)，這樣做將有助於實現一個好的電氣和熱設計。
(本文作者任職於安森美)