第一部分描述了進行基本熱管理計算的過程。本文建立在該討論的基礎上，並展示了此類分析作為某些組件規格的通膨指標的重要性。
前面的範例假設使用 IRL3713PBF 電晶體（TO-220 封裝）、HS278-ND 散熱器和 BER183-ND 熱介面墊片，並顯示了使用（為了簡單起見）假設的 4W 功耗來計算裝置溫度在設備中。這裡，使用裝置特性和常見設計約束作為限制標準，並針對各種應用場景推導出電晶體載流能力的實際上限。這些實際限制將明顯低於規格書中建議的數字，其程度可能會讓粗心的人感到驚訝。
圖 1. 第一部分的基本熱模型。
規格書，蓄勢待發
圖 2 節錄了在第一部分提及的 IRL3713 規格書。在「絕對最大額定值」表中，稱為「連續漏極電流」的 ID 額定值是本次討論的重點項目。從語言的角度來看，將這個術語理解為指示可以透過其漏極端子連續通過該部件的最大電流量是完全合理的。但是從實踐的角度來看，這種理解（儘管合理）是極其錯誤的。
圖 2.IRL3713 規格書摘錄。
為此提供了兩個重要線索：首先，根據不同的溫度條件，提供了兩個不同的 ID 額定值。這些值相差約 35%，表示此資格非常重要
圖 3. 最大漏極電流額定值因溫度條件而異。
關於這些 ID 額定似是而非的性質的第二個線索是，每次提及時都會出現對註釋
的引用。該註釋的文字可以在規格書的倒數第二頁找到：
Calculated continuous current based on maximum allowable junction temperature. Package limitation current is 75A
更直白地說，本說明說「連接該部件中的有源矽與外界的導體在電流水平超過 75A 時容易發生故障。所示的數字僅適用於虛構的環境，在該世界中這不是問題。」
因此，不僅該部件的「連續漏電流」額定值因溫度條件而顯著不同，規格書第1 頁上提供的兩個ID 額定值中較小的一個仍然是建議避免使用部件的極限值的兩倍以上設備熔化。這些警告表明，圖 4 中的摘錄放在第一頁頂部的顯著位置，無異於一場「兩個真理和一個謊言」的長期遊戲；提供的兩個值是對實際設備行為或功能的描述，出於設計目的，可以或多或少地從表面上考慮這些值，並且無需特別努力即可進行演示，而第三個值代表理想化的理論值，它忽略了直接相關的設備限制，並且不能被接近，更不用說在實際環境中實現了。
了解他們的策略
那麼首頁 ID 額定從何而來呢？註 6 表示它是「計算的」和「…基於最大允許結溫」，根據絕對最大額定值部分，該結溫為 175°C。參數表中的 260A ID 數字進一步提到了外殼溫度條件，TC = 25°C。這些條件完全符合第 一部分中使用的熱模型中 RϴJ-C 的兩側，規格書給出的 RϴJ-C 值為 0.45°/W。這樣，當安裝表面保持在 25°C 時，就可以計算出裝置結點中必須耗散的熱功率，以便將其內部加熱到 175°C，使用類似於在第一部分中使用，如圖 5 所示。
方程一
圖 5. 用於確定 ID 額定值的典型熱模型。所示 RϴJ-C 值取自 IRL3713 規格書，其他部件的值會有所不同。
由於這應該表示「連續漏極電流」，因此熱功率將來自流經元件通態電阻 RDS(ON) 的額定 260A 漏極電流。重新整理電阻器功耗的基本 P=I2*R 公式，可以計算在特定電流下消耗給定功率所需的電阻值：
方程二
4.9mohm 結果與規格書中元件通態電阻的特性相當接近。但請注意，規格書描述的是 25°C 結溫下的 RDS(ON) 特性；在所研究的理論案例中，裝置的結點據稱處於相當高的 175°C，這將對 RDS(ON) 產生影響。
圖 6. 描述相關 FET 通態電阻特性的規格書摘錄
為了解釋這一點，可以參考規格書的圖 4（此處摘錄為圖 7，添加了箭頭），該圖顯示當裝置內部溫度為175°C 時，通態電阻將比實際電阻高出約1.6 倍。
將先前發現的 4.9mohm 除以大約1.6 的溫度係數，我們得到 3.1mohm 的數字，該數字在規格書針對 25°C 結點條件提供的 3mohm 最大 RDS(ON) 值的捨入誤差範圍內溫度和 10V 的柵極源電壓。
圖 7. 描述通態電阻隨溫度變化的規格書圖。
規格書中的「註 6」表示引用的 ID 數值是「計算出來的」，上述過程（相反）說明了規格書中的 ID 數值是如何得出的。儘管按照慣例稱為「絕對最大連續漏極電流」，但實際上該規範所指的是一個品質因數，以組合方式表徵器件的通態電阻和封裝熱性能。因此，雖然它確實可以用於比較各種設備，但對於了解它們的實際功能並不是很有用。
為了說明這一點並證明為什麼顯示的 ID 值是「計算」而不是測量的，請考慮滿足細則規定的 TC = 25°C 條件可能需要什麼。上面計算出需要從設備中去除 333W 的熱功率，並且外殼溫度保持在 25°C。這樣做需要透過電晶體外殼和附加散熱器之間的熱界面進行熱傳遞，如果使用熱效率高但非電絕緣的導熱油脂，則電晶體的規格書顯示熱阻約為 0.5°C/W。
圖 8. 具有額定連續漏極電流的 IRL3713 熱模型，包括用於建立其 ID 額定值的模型忽略的元件。
如果此介面熱阻估計有效，則熱介面上的溫差將為 333W*0.5°C/W=166.5°C。由於設備外殼溫度需維持在 25°C，因此介面冷側溫度為 25°C-166.5°C= -141.5°C。為了考慮散熱器的熱阻，需要比這更低的環境溫度，這建議使用液態氮（沸騰溫度為 -196°C 或 77°K）作為冷卻劑。雖然不是最冷的，但它通常是常用冷凍劑中最便宜的，而且與氫氣或氧氣相比，它不太可能在蒸發時無意中轉化為高溫狀態…
提供可施加在散熱器上的可用溫差並除以必須傳輸的熱功率，即可得出散熱器最大允許熱阻的數值：（196°C -141.5°C ）/333W= 0.16°C/W 。345-1173-ND（規格書摘錄於圖 9，並加上突出顯示。）透過空氣中的強制對流滿足此要求，蒸發液態氮的沸騰作用可能會近似。（稍後將在附錄 B 中詳細介紹。）
圖 9.
如何保持安全
這就提出了一個相關問題：如果手上的應用無法容納四磅半（2公斤）的散熱器和液態氮浴怎麼辦？在稍微更實際的條件下，該部件的載流能力是多少？這取決於這些條件到底是什麼；雖然零件本身的特性確實設定了可實現的整體規模，但可以利用的潛力部分主要是熱管理問題，受使用者的應用限制和設計選擇的影響。以下討論了一些主要考慮因素，它們對最大允許漏極電流的影響如圖 11 所示。
最大接面溫度：從可靠性的角度來看，在額定絕對最大結溫（本例為 175°C）下運行裝置並不是一個好的做法。除了通常伴隨高溫操作而導致的裝置特性下降之外，較高的最大允許溫度通常會在系統開啟和關閉、經歷負載變化等時轉化為更大的溫度變化。隨著溫度變化幅度和速率的增加，這種影響會縮短使用壽命並增加隨機故障的可能性。根據其他設計考慮因素，允許最大額定結溫 25°C 的餘裕可能是合理的激進設計選擇。因為它也恰好便於查閱規格書的圖 4，所以在下表列出的某些場景中將使用 150°C 的最大接面溫度（比額定最大值 175°C 低 25°C）。
最高環境溫度：電子設備內部與其運作環境之間的溫差是推動熱量從一個設備傳遞到另一個設備的因素；在其他條件相同的情況下，較小的溫差意味著較少的熱傳遞和較低的操作限制。由於設計人員通常無法直接控制操作環境，因此這通常是透過應用於最終產品的設計規格來建立的。對於辦公設備、消費品和設計與人員共處一地的類似物品，溫度通常約為 40°C (104°F）。然而，用於熱建模目的的「環境」溫度是指建模系統所在的環境；例如，如果這是通風不良的外殼內部，則有效「環境」溫度可能會更高。坦白說，以下場景假設情況並非如此，並假設最高環境溫度為 40°C。
熱介面：此處可以對熱介面材料及其用途進行更廣泛的討論，但首要主題之一是，如果需要熱介面也具有電絕緣性，則需要付出熱阻代價。所建模電晶體的規格書表明，當使用非電絕緣導熱油脂時，0.5°C/W 是一個合理的數字。相較之下，電絕緣介面（第 一部分中討論）的合理數字接近 2.9°C/W。這兩個值都用於圖 11 中的不同場景。
元件封裝類型/機械設計：到目前為止，已假設 IRL3713 電晶體採用 TO-220 封裝變體，並使用某些指定的散熱器。除上述散熱器外，其他散熱器均具有不同的熱特性，所有這些特性在某種程度上都取決於應用。此電晶體本身也可採用表面貼裝 D2PAK 封裝，該封裝在製造的簡便性和成本與熱性能之間提供了顯著的權衡。除了第,一部分中使用的散熱器之外，製造商所描述的表面黏著選項（總結點環境熱阻 = 40°C/W）也包含在以下場景中。
**圖 11.**表格顯示了第一部分中所示的基本熱模型的結果，適用於從荒謬（用於推導額定漏極電流值）到方便（表面黏著）的不同應用場景。值得注意的是，即使在表格中最激進的實際設計方案中，最大允許連續漏極電流 (ID) 也小於規格書第 1 頁標題值的四分之一。在較保守的設計條件下使用此裝置的表面黏著變體，最大允許連續漏極電流約為廣告值的 10%。
為什麼要尋找規格書
用不切實際的術語來描述 IRL3713 等裝置的載流能力，並用一個不能很好地表明事實的名稱來稱呼所得的數字，這種做法可能會讓人覺得有點不誠實。至少，對於粗心或不熟悉的人來說，它並沒有讓生活變得更容易。然而，這種情況是隨著時間的推移和實踐的一致性而發展起來的。
早期 FET 在 RDS(ON) 和封裝熱性能方面的性能均較差一兩位小數，並且所涉及的電流和功耗水平也小一兩位小數，如表所示。 FET 需要傳達設備的載流能力，最大接面溫度通常是限制問題，並且需要建立某種標準條件以進行有意義的比較。在室溫（通常為 25°C）下維護設備外殼成為了標準條件。從避免在產品特性中包含額外變數（介面熱阻）的角度來看，定義外殼溫度是相當合理的。在早期的某個時刻，選擇的 25°C 數字甚至可能也是合理的；對於最早和最脆弱的設備，在室溫下使用大型散熱器可以非常接近這種情況。
然而，FET 技術的發展很快就消除了基於 25°C 帕殼溫度條件的漏極電流額定值的任何直接相關性。例如，當 PHP3055E 推出時，需要一個超大散熱器和一台冰箱才能達到宣傳的額定值，在與圖 11 中 IRL3713 使用的相同場景下，熱模型結果如圖 12 所示值得注意的是，許多部件的規格書還包括基於較高外殼溫度（例如125°C）的ID 額定值，這更接近直接應用相關性。
圖12. 較舊 FET（PHP3055E，第1 版規格書，其日期似乎可以追溯到1997 年）的熱模型結果，使用上面列出的 IRL3713 的相同場景集（可以追溯到 2013 年左右）。溫度如果使用超大散熱器，可以實現製造商的額定漏極電流 3°C，並根據所使用的模型與 IRL3713 執行相同操作所需的 -196°C 溫度進行比較。
如今，有關早期設備的資訊相對較難取得。舊的規格書往往會被丟棄，而且隨著行業在 90 年代中後期轉向線上資訊傳輸，很少有供應商願意為已經報廢的零件創建軟拷貝規格書。
這個故事的寓意
如果這篇文章的內容被濃縮成一個單獨的見解，它可能是這樣的：
不要假設製造商的電流額定值與您的應用相關；根據預期的應用條件，從熱管理的角度評估所有這些事情。
雖然像此處範例的低壓 FET 可能是廣告價值超出實際限制的最嚴重違規者，但該原則也適用於其他產品類型。各種類型的分立功率半導體都可能受到懷疑，但如果不進行評估，落在額定限制內的各種電流可能會帶來不受歡迎的熱意外。保持警惕——像其他掠食性生物一樣，規格書更喜歡在目標分心時進行攻擊…
附錄 A：當心共謀
似乎大電流設備本身的熱管理還不夠糟糕，考慮到銅不是室溫超導體，大電流應用還需要密切注意電路板設計。由「重」2oz 製成的一英寸長、半英寸寬的 PCB 走線。銅（25x13mm，70um 厚，公制世界）的端對端電阻約為半毫歐姆。在許多應用中，這將被視為非常粗的走線和可忽略不計的電阻，但預計表面安裝 IRL3713 穿過其長度的 ~25A 最大漏極電流將導致功耗接近三分之一瓦，這 PCB 走線加熱的一種模型表明，這會導致溫度上升約 20°C。由於表面安裝部件使用其所連接的 PCB 走線作為散熱器，因此如果在分析中忽略走線熱效應，可能會導致部件的「環境」溫度比預期高 20°C。那個 260A 數據呢？即使銅厚度為 20oz（0.7mm），半英寸寬、一英寸長的 PCB 走線在承載這樣的電流時也會消耗超過 3W 的功率，這表明溫度會上升到 220°C。液態氮浴可能會派上用場…
圖 13. D2PAK 電晶體和一組高電流螺絲端子之間總長 1 英吋、寬 1/2 英吋的走線（黃色區域）在印刷電路板上的近似值。
附錄 B：低溫和雞尾酒餐巾
工程民間傳說中充滿了靈感瞬間在雞尾酒餐巾或類似的權宜材料(1)(2)上進行計算的故事。敏銳的觀察者可能會注意到，在液態氮浴中使用散熱器的前景相當超標，並且在這種情況下直接使用已發布的熱阻數據可能是無效的。這是一個突出的問題，至少需要一些餐巾紙等級的計算才能更好地弄清楚這個概念實際上可能離目標有多遠。
液態氮浴的冷卻效果很大程度上取決於將物質從液體轉化為氣體所需的能量；正如一鍋沸水在水完全沸騰之前不會遠高於 100°C 一樣，一缸液態氮在所有氮氣都沸騰之前也不會遠高於 -196°C。在從 IRL3713 中提取額定性能的理論嘗試中，上面估計需要從設備中提取 333W 的熱功率。根據液態氮的已知特性，該功率足以每秒將約 1.7g 氮從液體轉化為氣體，這意味著估計氣體體積流量略低於每分鐘 0.8 立方英尺（約每分鐘 22 公升）：如圖14 所示。
建議用於實現 IRL3713 宣傳的漏極電流的 345-1173-ND 散熱器的 0.016 °C/W 熱阻在強制對流條件下進行表徵，空氣體積流量為每分鐘 100 立方英尺 - 更多產生的流量比預期多出兩位小數。通常，低於製造商規格的流量會導致比公佈的有效熱阻更高的有效熱阻，但在這種情況下，產生的氣體非常冷，並且在室溫或室溫下的密度大約是空氣的四倍，並且因此，預計可以更有效地透過對流從散熱器表面提取熱量。此外，液態氮有可能接觸到散熱器表面，其密度還要高 200 倍，並且在將熱量從表面帶走方面可能會更有效。
這就引出了一個有趣的問題和研究領域；在這種情況下，與散熱器表面接觸的主要是液態氮還是氣態氮？ （更重要的是）該散熱器在一桶液態氮中的熱阻實際上是多少？預測根本不是一件小事。沸騰實際上是一個相當複雜的現象，傳熱率通常是表面溫度的非單調（並且忘記線性…）函數。在這種條件下，可以觀察到液態氮浴中散熱器的表觀穩態熱阻會根據操作順序而變化，在向系統施加熱輸入功率之前，是否允許散熱器冷卻到某個臨界溫度以下。
氮氣的特性，由液化空氣集團提供：
- 液體密度：806 kg/m3
- 沸點 @ 1 atm：-196°C
- 汽化熱：199 kJ/kg
- 沸點氣體密度：4.61 kg/m3
圖 14. 在液態氮浴中冷卻 333W 負載的蒸發速率估算。
註：
(1) 如果看到註腳引用導致您立即停止閱讀正文並尋找腳註所蘊含的秘密，那麼恭喜您，您已經成功防範攻擊性規格書了。
(2) 隨意觀察表明，在這種情況下對雞尾酒餐巾的提及似乎隨著時間的推移而減少，其方式大致與三杯馬丁尼午餐的棄用成比例。類似材料（尤其是信封的反面）的可用性也受到電子物種入侵的威脅。對於是否以及何時找到替代方案，專家意見不一。
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