使用热阻的概念来建立一个系统的热等效网络，并确定与其等效的连结环境热阻-电子发烧友网

又是一年七夕佳节，连电和热在Sigrity™桥梁的联结下都发誓永不分离了，小编却还是孤零零的单身狗一只……想起前些日子小编问起娘和爹的幸福原因，一句“他懂我呀”令小编醍醐灌顶……这么看来电也要懂热才行！

在热管理入门基础知识——第二篇中，小编和大家研究了三种不同的热传输机制，并将它们与等效热阻相关联。为了加深对热域的理解，此篇文章中我们将使用热阻的概念来建立一个系统的热等效网络，并确定与其等效的连结环境热阻。

作为电气工程师，我们必须保证的最基本的热要求之一，便是确保集成电路（IC）不超过其最高结温。根据热阻的概念，如果我们知道从IC结到周围环境的等效热阻、IC的最大结温和IC的最高环境温度,就可以估算出IC可具有的最大功耗，用下式表示：

然而在许多情况下，作为系统设计人员，我们无法控制集成电路的最大功耗，但我们可以通过设计放置IC的环境来控制等效连结环境热阻。如果重新排列上述等式，我们可以找到系统的最大连结环境热阻：

因此，我们的目标是确保等效连结环境电阻小于最大连结环境电阻，从而确保IC永远不会超过最大结温，方程如下：

现在，我们来看看如何估算。如图1所示，这个简单的例子是由印刷电路板（PCB）及其顶部封装的IC组成。在这个例子中，IC芯片是热源（电源），我们将分析IC芯片通过封装和PCB到周围环境的热传递过程。

图1. 一个由PCB及其顶部封装IC组成的简单系统（点击查看大图）

回顾一下我们的第一篇文章，与电流传导不同，热传导没有很好的约束并从热源向各个方向流动。严格来讲，电流也向各个方向流动；但由于导体和绝缘体具有很强的隔离效果（>> 108），电气元件的设计会限制电流的流动，而热流的隔离效果则要弱得多，通常仅仅在1000s到10,000s之间。因此，来自IC芯片的热量将通过固体封装和PCB在所有三个维度上传递，因而可使用它们各自的导热电阻进行建模。

当热流到达封装和PCB的表面时，热传递模式将从传导变为对流和辐射。注意，热对流和热辐射都发生在表面与环境之间，因此是并行出现的。通常，这种并行组合总是在物体的表面处发生，传递到诸如空气等介质环境中。作为电气工程师，我们知道如果并联的两个电阻中一个电阻值明显小于另一个时，那么并联电阻的阻值可以用电阻值小的那个电阻来近似。同样的概念也适用于热电阻，热量流动总是沿着热阻最小的路径。在大部分情况下，热对流主导了热辐射，因此从表面到环境的热传递电阻可以用较小的热对流电阻值近似。

图2. 带有热电阻系统的简化2D模型（点击查看大图）

简单起见，我们在2D中进行系统分析，这些技术也可以很容易地应用于3D中。图2显示了带有热电阻系统的简化2D模型。用于系统建模的电阻数量可能会有所不同，具体取决于系统建模的复杂程度和准确程度。在此示例中，我们对实体元件进行建模，允许热量传递到对象的所有表面或侧面。该封装有四个导热电阻，可使热量从IC芯片传递到封装顶部，,封装的两侧，和，以及封装的底部，。由于PCB的面积比封装的面积大得多，因而PCB采用10个热电阻建模，以达到更均匀的传热效果。热量通过从封装传递到PCB，到达PCB的两个顶端，和，然后通过内部到达PCB的两侧和PCB的底部。如前文所述，所有固体表面将具有并行的热对流和热辐射电阻，以仿真从固体表面到环境的热传递。同样，PCB表面采用多个并行的热对流和热辐射电阻建模，以实现均匀分布的效果。

表1. 图3中热网络的等效电阻（点击查看大图）

图3. 图2中2D系统的等效热网络（点击查看大图）

作为电气工程师，我们可以通过对电阻进行分组来简化系统的2D模型，如表1和图3所示。这种电阻分组的优点是每个等效电阻仍然保持其2D模型的物理解释。例如，表示通过封装顶部从IC芯片到周围环境的等效电阻，表示从封装底部到PCB顶部接口的接触电阻。因此，如果我们想要包括将封装连接到PCB的焊料的热阻，我们可以将其添加到。此外，通过观察图3，我们看到热量通过封装顶部和封装侧面的电阻直接从IC芯片传递到周围环境。另一传播路径则通过封装底部并经由电阻进入PCB，最终通过相应的电阻路径到达PCB顶部、侧面和底部表面。