双层汽车级 PCB 设计中的6A 器件热行为比较

Ralf Ohmberger

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简介

DC/DC 变换器的典型参数中包括了额定电流以及取决于 PCB 尺寸和 IC 热阻的最大可能环境温度(T_A)。本文将在小型双层 PCB (60mmx40mm)上对 MPQ4326-AEC1 和传统 6A 器件的热行为进行比较。

采用双层布局

PCB板的层数取决于所计划的生产成本和 PCB 尺寸，通常都为两层PCB。在双层汽车 PCB 设计中，需审慎进行直流开关电源的组件布局，以满足汽车 EMC 和热规范。

比较方案

本文将比较测试双层布局极为相似的MPS MPQ4326-AEC1 和一个6A额定电流传统器件（见图 1）。尽管两个器件各自具有独特的组件位置，但通过其相似的多边形布局和通孔位置，仍然可以比较其散热性能和效率（见图 2 和图 3）。

图 1 显示了 MPQ4326-AEC1 的典型应用原理图，它与传统 6A 器件极为相似。

图1: MPQ4326-AEC1典型应用原理图

两款 IC都采用了相同的外部元件封装尺寸和布局，因此可以实现效率和散热性能真正的1：1比较。部分不同的 IC 特有数据包括反馈、开关频率电阻和引脚排布细节等。

图 2 显示了MPQ4326-AEC1 的 PCB 组件布局。

图 2：MPQ4326-AEC1 的双层 PCB (60mmx40mm) 组件布局

图 3 显示了传统 6A 器件的 PCB 组件布局。

图 3：传统 6A 器件的双层 PCB (60mmx40mm) 组件布局

两款器件的底层PCB上都具有公共 GND 平面，以及35μm 覆铜厚度和1.55mm标准 FR-4 环氧树脂层间距。采用可选铂电阻温度检测器 (RTD) 可测量 PCB 温度。

效率测量

效率是 DC/DC 变换器的输出功率 (P_OUT)与输入功率 (P_IN) 之间的电功率商，它由器件特定参数、应用特定参数以及PCB特定参数决定，下面将对此进行详细描述：

器件特定参数

上管和下管MOSFET（分别为 HS-FET 和 LS-FET）的通道导通电阻 (R_DS(ON))
硅裸片与焊盘之间的机械接触电阻
决定 MOSFET 导通/关断速度的上升和下降时间
内部电路功耗（例如栅极驱动器和逻辑电路）
结温 (T_J)

应用特定参数

输入电压 (V_IN) 和输出电压 (V_OUT)
开关频率 (f_SW)
负载电流 (I_LOAD)
对流和环境温度 (T_AIR)

应用特定参数

由布局走线、多边形、通孔和开关电感大小形成的散热器，会对 T_J产生影响
开关电感的功耗 (P_IND)，常见的效率测量方法都将 P_IND 视为DC/DC变换器的附加损耗

为了对两个 DC/DC 变换器进行恰当的1：1效率比较，应用参数和 PCB 参数必须相同。图 4为两款 PCB 的比较。

图 4：MPQ4326-AEC1 和传统 6A 器件的双层 PCB 比较

测试装置

图 5 显示了效率和热图像的测量装置。两款PCB采用相同的电源来驱动，电源和负载线的长度也相同。采用四线技术测量电流和电压，可以得到效率；其中 V_IN 的测量点位于电解电容上，V_OUT的测量点位于输出 MLCC 上。

图 5：效率和红外热图像的测试装置

每款 PCB 都可单独加载可调恒流。红外热像仪能够同时记录两款 PCB 的温度曲线。PCB 在相同的条件下运行，具有相似的表面积、电缆和气流，因此相对环境温度的散热情况也相同。

MPQ4326-AEC1 采用 QFN-14 (4mmx4mm) 封装，具有额定 I_LOAD = 6A，在 JESD51-7 热测试 PCB 上的结至环境热阻 θ_JA = 46.7°C/W ；传统 6A 器件采用 QFN-14 (3.5mmx4mm) 封装，具有额定 I_LOAD = 6A ，在 JESD51-7 热测试 PCB 上的 θ_JA > 46.7°C/W。

当器件焊接在 JEDEC JESD51-7 测试 PCB 上时，通过 θ_JA 可以对其从芯片温度到环境温度的热流进行 1:1 的比较。 θ_JA 越小越能改善从 PCB 上的 IC 封装到环境温度的热流。

效率曲线比较

图 6 显示了 MPQ4326-AEC1 的效率和总功耗曲线。橙线为 8V V_IN ，红线为 12V V_IN，绿线为 18V V_IN，蓝线为 26V V_IN。

图 6：双层 PCB 上的 MPQ4326-AEC1 效率和总功耗曲线

图 7 显示了传统 6A 器件的效率和总功耗曲线。与图 6 类似，橙线为 8V V_IN ，红线为 12V V_IN，绿线为 18V V_IN，蓝线为 26V V_IN。

图 7：双层 PCB 上的传统 6A 器件效率和总功耗曲线

在相同的应用和 PCB 条件下，MPQ4326-AEC1 实现了更高的效率和更低的总功耗。由此可见，MPQ4326-AEC1 在大负载电流下的优势显著。

T_PACKAGE = 150°C 时最大负载电流与输入电压的关系

图 8 显示了在扫描 V_IN 时，IC 顶部封装温度 (T_PACKAGE) 保持在恒定的 150°C 时可实现的最大 I_LOAD (I_{LOAD_MAX})。蓝线代表 MPQ4326-AEC1，红线代表传统 6A 器件。

图8: T_PACKAGE = 150°C 时的最大负载电流

与传统6A 器件相比，MPQ4326-AEC1 在相同条件和 T_PACKAGE下，I_LOAD 高出1A。

V_IN = 13.5V 时封装温度与负载电流的关系

图9显示了扫描 I_LOAD得到的 T_PACKAGE其中蓝线代表MPQ4326-AEC1，红线代表传统6A器件。

图 9：V_IN = 13.5V 时封装温度与负载电流的关系

当 I_LOAD = 5.5A 时，MPQ4326-AEC1 的 T_J 比传统 6A 器件低 25°C，优势非常明显。而且，每个测量点都保持了30分钟以确保测试条件的稳定。

T_PACKAGE = 150°C 时基于最大负载电流和输入电压的热图像比较

图 10 显示了两款PCB 的红外图像，当 T_PACKAGE达到 150°C 时，两款 PCB 具有不同的 I_{LOAD_MAX} 热图像获取条件为： V_IN = 26V, V_OUT = 5V, T_AIR = 23°C, f_SW = 2MHz, 和 t_SETTLED = 30min。将两款 PCB 的 I_LOAD都调至最大值，直到两款 PCB 的 T_PACKAGE 都达到 150°C。如左侧图所示，MPQ4326-AEC1的 I_{LOAD_MAX} = 5.4A 且 P_OUT = 27W；如右侧图所示，传统 6A 器件的 I_{LOAD_MAX} = 4.4A 且P_OUT = 22W.

图 10：MPQ4326-AEC1 与传统 6A 器件在 T_PACKAGE = 150°C 和不同 I_{LOAD_MAX} 值下的比较

在相同条件下，MPQ4326-AEC1的输出电流要高出1A。由于具有较高 P_OUT 和较高输入电流，MPQ4326-AEC1 的 PCB（左图）温度稍高。同时两款 PCB 具有相同的 T_PACKAGE，这表明 MPQ4326-AEC1 封装提高了效率，并降低了从硅片到环境温度的 θ_JA （主要在焊盘中）。

V_IN = 13.5V 时基于封装温度和负载电流的热图像比较

图 11 显示了扫描两款PCB 的 I_LOAD，得到的 T_PACKAGE红外图像。热图像获取条件为： I_LOAD = 5.5A, P_OUT = 27.5W, V_IN = 13.5V, V_OUT = 5V, T_AIR = 23°C, f_SW = 2MHz, 和 t_SETTLED = 30min。将两款 PCB 的 I_LOAD 都调至最大值，直到其中一款 PCB 的 T_PACKAGE 达到 150°C。如左侧图所示，MPQ4326-AEC1的 T_PACKAGE = 129°C；如右侧图所示，传统 6A 器件的 T_PACKAGE = 154°C。

图 11：MPQ4326-AEC1 与传统6A 器件在相同 I_LOAD下的 T_PACKAGE 比较

在相同条件下，MPQ4326-AEC1 的 T_PACKAGE 比传统 6A 器件低 25°C。传统 6A 器件在 I_LOAD = 5.5A ， T_PACKAGE 达到 154°C 时停止测量，这样可以防止 T_PACKAGE 进一步增加并导致过温关断。

总结

本文对 MPQ4326-AEC1 和传统 6A 器件（额定 I_LOAD 为 6A）进行了比较测量。在小型、低成本的PCB 上可以实现指定的额定电流，但 T_PACKAGE 和 I_{LOAD_MAX}. 存在差异。从效率、最大负载电流、封装温度和散热等多个角度来看，MPQ4326-AEC1 都展示出效率与总功耗方面的关键优势。

当在较高 T_A 值下运行时，需要调整 PCB 的尺寸和技术，因为双层 (60mmx40mm) PCB 的热流动不足。此外，1:1 对比测试表明，6A DC/DC 变换器无法恒定地提供 6A I_LOAD，具体取决于 PCB 的热流能力、封装热阻以及效率。

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