第2章热传导基础

热传导基础：三大机制与热阻热容

各位工程师朋友，大家好。今天我们聊聊热传导的基础知识。说实话，很多做电源设计的同行，一开始都不太重视热。我当年也一样，觉得电路能工作就行。直到有一次，一个PMIC项目在高温箱里直接冒烟了……嗯，从那以后，我老老实实把热设计补上了。

热传递其实就三种方式：热传导、热对流、热辐射。别被名字吓到，说白了就是热量怎么从芯片里跑出去。我们一个一个说。

热传导，就是热量在固体内部，从高温区往低温区传递。微观上，是分子、原子在那振动，把能量传出去。宏观上，我们用一个公式描述：

Q = -k * A * (dT/dx)

这里Q是热流量，k是导热系数，A是截面积，dT/dx是温度梯度。负号表示热量从高温往低温走。

关键参数：导热系数k

不同材料的k值差很多。铜大概400 W/(m·K)，铝大概200，FR4玻纤板只有0.3左右。你想想看，PCB板本身导热很差，所以大电流的功率走线，我习惯铺铜皮，甚至用铜块。

避坑指南： 我曾经在项目里，把大功率MOSFET直接贴在FR4上，结果一跑满载，温度直接飙到120°C。后来加了导热垫片，把热量引到铝基板，温度降了30°C。记住，热传导的路径一定要短、要粗。

热对流，是流体（空气或液体）流过发热表面，把热量带走。自然对流靠空气受热上升，强制对流靠风扇吹。

对流换热的公式：

Q = h * A * (Ts - Tf)

h是对流换热系数，自然空气对流大概5-25 W/(m²·K)，强制风冷可以到50-100。A是换热面积，Ts是表面温度，Tf是流体温度。

个人经验： 我建议大家在设计初期，就估算一下需要的散热面积。比如一个5W的PMIC，自然对流下，如果温升控制在40°C，大概需要多少面积？用公式反推一下，心里就有数了。

小技巧： 增加散热面积，不一定要加大PCB。用散热鳍片、甚至外壳做散热，都是好办法。我见过一个设计，把PMIC的热量通过导热管引到金属外壳上，效果非常好。

热辐射，是物体以电磁波形式向外发射能量。不需要介质，真空中也能传。公式是：

Q = ε * σ * A * (Ts⁴ - T₀⁴)

ε是发射率（黑度），σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，A是表面积，Ts和T₀是物体和环境的绝对温度。

注意，辐射跟温度的四次方成正比。所以高温时辐射很厉害，低温时基本可以忽略。在PMIC设计中，芯片表面温度一般不超过125°C，辐射贡献不大。但如果你用黑化处理（比如阳极氧化），发射率可以从0.1提高到0.8，散热效果能提升不少。

注意： 辐射散热在密闭空间里很重要。我曾经遇到一个项目，PMIC放在一个塑料壳子里，没有通风孔。自然对流几乎为零，全靠辐射。后来我在壳体内壁贴了铝箔，发射率提高，温度降了8°C。

热阻，是描述热量传递难易程度的参数。单位是°C/W。公式：

Rθ = ΔT / P

ΔT是温差，P是热功率。热阻越大，同样功率下温升越高。

在PMIC数据手册里，你会看到几个关键热阻：

怎么用？ 比如一个PMIC功耗2W，RθJA=40°C/W，环境温度60°C，那么结温就是：

Tj = Ta + P * RθJA = 60 + 2 * 40 = 140°C

这已经超过大多数芯片的125°C上限了。所以必须降低热阻，或者加散热。

核心观点： 热阻是热设计的“欧姆定律”。你想想看，电流流过电阻产生压降，热量流过“热阻”产生温升。道理一模一样。我习惯把热路画成电路图，一目了然。

热容，是物体储存热量的能力。单位是J/°C。公式：

Cth = m * c

m是质量，c是比热容。热容越大，温度变化越慢。

在瞬态热分析中，热容很重要。比如PMIC突然加载，温度不会瞬间跳上去，而是慢慢上升。这就是热容在“缓冲”。

实际应用： 我做过一个脉冲负载的项目，PMIC峰值功耗10W，但持续时间只有1ms。如果只看稳态热阻，肯定超标。但加上热容后，芯片温度根本来不及升上去。这就是利用了热容的“惯性”。

小提示： 热容和热阻一起，构成了热时间常数τ = Rθ * Cth。τ越大，温度响应越慢。设计时，可以用这个参数估算芯片在脉冲负载下的温升。

好了，今天的内容就这些。热传导、热对流、热辐射，是热量传递的三种基本方式。热阻和热容，是描述热路特性的两个核心参数。

我个人觉得，热设计其实没那么玄乎。你只要记住：热量总要找个地方去。要么传导到PCB，要么对流到空气，要么辐射到外壳。把路径打通，把阻力降低，温度自然就下来了。

下一章，我们会讲如何用这些基础概念，去计算PMIC的实际温升。到时候我会拿一个真实案例，一步步算给你看。敬请期待。