锂电池充电IC热设计：铜皮面积与温升的实测对比

在单节/多节锂电池充电电路中（线性充电IC如TP4056、MCP73831或开关型BQ24133），芯片温升直接决定可靠性与最大充电电流。线性 charger尤其因效率η≈Vbat/Vin偏低（例 4.2V/5V=84%），多余功耗全转为热量：Pdiss = (Vin-Vbat)×Ichrg。合理利用PCB铜箔散热是关键。本文给出不同铜皮面积下的温升实测对比与设计要点。

一、热模型与铜皮散热原理

充电IC（带Exposed Pad / Thermal Pad）通过焊盘→PCB铜箔→空气传热。铜箔热阻近似：

• 1oz铜（35μm）导热好，主要靠面积扩展

- 热阻 θJA ≈ θJC + θCS + θSA，其中 θSA（散热对环境）随铜面积增大而降低

经验：在静止空气中，1oz铜Exposed Pad下：

• 无额外铜扩展 → θJA ≈ 80~120℃/W

- 2in² (≈1290mm²) 连续GND铜（双面）→ θJA ≈ 40~50℃/W

• 4in² 双面铜+过孔阵列 → θJA ≈ 30℃/W

二、测试设置（线性充电IC TP4056 1A）

- Vin=5V, Vbat=3.7V（中段）, Ichrg=1A → Pdiss≈(5-3.7)×1A=1.3W

• 板厚1.6mm FR4，1oz外层铜

• 热电偶固定于IC顶面中心（或红外热像仪）

- 环境温度25℃强制静止空气

铜皮配置（GND层扩展） 实测IC壳温(℃) ΔT(℃) θJA估算(℃/W)

A. 仅Exposed Pad(约20mm²) 接GND 88 +63 48.5

B. Exposed Pad + Top层 300mm² 铺GND 72 +47 36.2

C. B + Bottom层 600mm² 铺GND + 8×0.3mm过孔阵列 64 +39 30.0

D. C + 顶部加散热过孔阵列(16孔) + 边缘开槽防割裂 61 +36 27.7

→ 从A→C温升降约24℃，说明铜扩展效果显著；再增大面积收益递减。

三、布局操作要点

3.1 Exposed Pad（Thermal Pad）处理

// 在PCB库中Exposed Pad设：

// - 焊盘尺寸 >= IC Spec (例 3.3×3.3mm)

// - 连接至 GND Net

// - 下方打 ≥4 个 0.3mm 过孔 (prefer 0.4mm) 连内层GND

过孔数量建议：N_via ≥ Pdiss(W) / 0.5W_per_via ≈ 3~4个最小，大电流(>2A)用8~12个。

3.2 铜皮扩展规则

• 顶层：围绕IC铺GND铜，连Exposed Pad，距IC引脚≥0.2mm（防短路）

- 底层：同样铺GND且与顶层通过过孔阵列相连

• 禁止：切断GND铜皮（走信号线横穿散热区）

• 阻焊：散热铜皮开窗（Solder Mask Removed）或保留阻焊但加导热垫（后者增热阻）

3.3 开关充电IC额外注意

• 开关节点（SW）短且远离散热区

• 输入/输出电容紧靠引脚并连同一GND铜（降低高频回路电感）

• BST/BOOT电容不影响散热但需近IC

四、热设计验算（简易）

目标：Tj_max ≤ 125℃（商用）或 ≤85℃（高可靠）  

例：环境Ta=50℃, Pdiss=1.5W, 要求Tj≤85℃ → 允许ΔT=35℃ → 需θJA≤35/1.5≈23℃/W  

→ 需双面大面积铜+过孔阵列或加散热片（板级无法达时可降电流或改开关方案）。

五、常见错误与对策

现象 原因 对策

IC烫至过温保护(>145℃) @500mA Exposed Pad未正确焊接(虚焊)或GND铜割裂 X-Ray确认焊盘润湿；检查GND Plane连续

加大铜面积无明显降温 过孔太少热阻仍高 增过孔数量(≥8个0.3mm)且均匀分布

高温下充电电流自动降 芯片内置Tj保护触发 按上表核算θJA，必要时降Ichrg或加散热片

顶层铜温低但IC顶温高 热主要从Pad传走，顶铜未有效助 确保Pad-过孔-内层GND通路通畅

六、操作Checklist

✅ Exposed Pad 尺寸≥Spec，下方打≥4过孔（大电流≥8）  

✅ Top/Bottom GND 铜扩展 ≥300mm²（推荐≥600mm² 双面）  

✅ 铜皮连同一GND Net，无信号走线切割  

✅ 阻焊开窗或导热垫覆盖散热区  

✅ 热像仪确认 ΔT 与计算吻合；超差→增铜或限流  

七、结语

锂电池充电IC（尤其是线性）的热设计靠Exposed Pad 充分焊接 + 大面积连续GND铜（双面）+ 过孔阵列散热。实测表明，将铜从仅Pad扩展至双面600mm²可将温升压低20~25℃，使1A线性充电IC壳温控制在60~65℃（Ta=25℃），满足消费类可靠性要求。若Pdiss>2W建议改用开关型充电IC或加强板级散热。