二极管这东西,平时看那玩意儿发光发热要么导通电压看着挺“稳”,但真要到了高温环境,那脾气可就有点“犟”。大家平时估摸只认定它是个好办的开关,实际上它内部那层半导体材料,跟一般/平平电线比,可“脾气”难预测得多。 要算它的热阻,起初得把人设拉回来,别总想着它是个完美的理想元件。现实里,硅片不是玻璃板,它是脆皮,焊料是软胶,电流方向一变,温度曲线就不一样。 datasheet 上那些参数,绝大多数都是测出来的平均值,要么是标称值。

这就好比你买车,看说明书上写着油耗 8 升,但实际跑高速和市区开,那油耗可能差一倍不止。

故此,任何热阻公式都是基于特定测试条件得出的,不能直接拿来当成万能钥匙去套所有工况。 最核心的那个公式,实际上是把二极管当成了一个黑箱处理。电流流过它,形成热量,这个热量得散出去。散热的本事取决于它表面积和散热风扇的速度,而二极管本身出于热阻的存有,温度升高的速度会比纯电阻模型慢。

严格来说,二极管热阻 $R_{th}$ 并不是一个固定不变的常数,它跟温度、封装形式、散热片设计还有安装方式都相关系。

不过,为了撇脱看,工程师们一般会把它近似看作一个常数。 这就好比你往杯子里倒热水,水温升得慢;但要是你给杯子外面套个铁皮桶,再往外吹热风,那套套上去的金属壳,热阻可能比纯金属小。

同理,封装里的空气、焊料层,还有硅片本身的导热系数,这些构成了它的热阻

要是只用好办的 $R = V/I$ 来算,那拿到的既是直流热阻,又包含了电流引起的焦耳热,这两个加起来才叫“总热阻”。对于大量好办的开关,这个总热阻大约是 $R_{th} approx R_{DC} + R_{J} cdot I^2$。

这里的 $R_{DC}$ 是二极管本身的导通压降形成的等效热阻,$R_J$ 是引脚和焊点的热阻,$I$ 是电流。 举个例子,假设你手头是一个 RoHS 认证的红外 LED,额定电压 1.8V,导通电流 20mA,测出来的工作温度是 85 度,环境温度是 25 度。咱们先把 $R_{DC}$ 估算一下,一般低压小电流下,这个值大约在 $10mK/W$ 左右,算出来大约是 0.018K/W。再算引脚热阻,假设封装是 SMD 2835,加上焊盘,$R_J$ 可能在 10mK/W 到 20mK/W 之间。

要是你满载 20mA 电流,那总热阻大约就在 30mK/W 左右。

这时候,温度升高每 1 瓦特,温度就上升 30 度。

要是散热不好,这 30 度立马就能把周边的 PC 板要么芯片烫跑。 实际上,这个数值本身也是动态的。温度越高,半导体材料本身的热电特性会变,热导率可能下降。更费事的是,不同方向的散热路径不一样。

比如一个长条形封装,靠侧面散热挺好办,但要是放在 PCB 上,四周都是铜箔,那侧面散热受阻,热阻就会变大。就连有时候,PCB 板本身的阻抗不够,害得信号étiques 还热,那就得再加散热片,就连得改流。 大量人好办忽略的一点是,单纯盯着低温下的参数。高温下的热阻往往比低温时高。出于硅在高温下,本征载流子浓度增添,别看导电性变好,但晶格振动加剧,害得载流子迁移率下降,热导率反而下降。

这就好比夏天走在柏油路上,忒阳毒辣,路面挺烫,摩擦力反而变大,人走起来就费劲。

故此,工程师在搞热设计时,绝不能只看低温下的 $R_{th}$ 值,务必把温度范围寻思进去,就连要在高温工况下重新测量一下。 最终,还得提一句,理论公式和实际测试总有个差距。

有时候器件在低温时测出来 $R_{th}$ 挺低,一到高温测试要么长期工作后,热阻就飙升了。

这一般是出于封装老化,焊点虚焊,要么硅片本身有微裂纹。

这时候死记硬背公式已经是没用的了,得靠实测数据讲话,要么用专业的热仿真软件算一下,看看在极端情况下会不会过热损坏。

毕竟,二极管这东西,最怕的就是别看能工作,但表面温度高到把周边设备烧坏了。