散熱器的選擇與設(shè)備應(yīng)用的規(guī)格分析

散熱片很重要！電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是，它們提供了一種有效的熱量輸送路徑，可以將電子設(shè)備（例如BJT，MOSFET和線性穩(wěn)壓器）轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中。

它們的作用在于創(chuàng)造在發(fā)熱裝置上具有較大的表面積，并且這樣做可以更有效地將熱量傳遞出去并進(jìn)入其周圍環(huán)境。改善器件外部的熱路徑可以降低器件連接處的溫升。

本文旨在介紹選擇散熱器問題的高級(jí)介紹，并從中獲取熱量數(shù)據(jù)。設(shè)備應(yīng)用以及散熱器提供商提供的規(guī)格。

是否需要散熱器？

出于本文的目的，我們假設(shè)有問題的應(yīng)用有采用TO-220封裝的晶體管，其導(dǎo)通和開關(guān)損耗等于2.78 W的功耗。此外，環(huán)境工作溫度不會(huì)超過50°C。這個(gè)晶體管是否需要散熱片？

圖1：帶散熱片的典型TO-220封裝的正面和側(cè)面視圖（圖像源：CUI Inc。）

首先，必須組裝和消化所有可能阻止2.78 W被散射到環(huán)境空氣中的熱阻抗的特征。如果它們無法有效分散，則TO-220封裝內(nèi)的結(jié)溫將超過建議的工作要求，對(duì)于硅，通常為125°C。

一般情況下，晶體管供應(yīng)商會(huì)記錄任何結(jié) - 環(huán)境熱阻抗，用符號(hào)RθJA表示，以°C/W為單位測(cè)量。對(duì)于器件內(nèi)消耗的每單位功率（瓦特），該單元表示結(jié)溫預(yù)計(jì)會(huì)增加到TO-220封裝周圍環(huán)境溫度以上的數(shù)量。

將其置于上下文中晶體管供應(yīng)商證明，結(jié)至環(huán)境的熱阻為62°C/W，TO-220封裝內(nèi)的2.78 W功耗將使結(jié)溫升至環(huán)境溫度以上172°C;計(jì)算值為2.78 W x 62°C/W.如果假設(shè)該器件的最壞情況環(huán)境溫度為50°C，則結(jié)溫將達(dá)到222°C，計(jì)算溫度為50°C + 172°C。由于這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過125°C的額定硅溫度，因此很可能對(duì)晶體管造成永久性損壞。因此，絕對(duì)需要散熱器。

將散熱片連接到應(yīng)用會(huì)顯著降低結(jié)到環(huán)境的熱阻抗。在下一階段，確定提供安全可靠操作所需的熱阻抗路徑有多低。

建立熱阻抗路徑

為了確定熱阻抗路徑，從最大可容忍的溫度上升開始。如果器件的最大環(huán)境工作溫度為50°C，并且我們已經(jīng)確定硅結(jié)需要保持在125°C或更低，則最高允許溫升為75°C;這計(jì)算為125°C - 50°C。

下一步是計(jì)算結(jié)本身與環(huán)境空氣之間的最大可容忍熱阻抗。如果最高允許溫升為75°C，TO-220封裝內(nèi)耗散功率為2.78 W，那么最大允許溫度阻抗為27°C/W;計(jì)算為75°C÷2.78 W。

最后，計(jì)算從硅結(jié)到環(huán)境空氣的所有熱阻抗路徑，并確認(rèn)它們的總和小于最大允許熱阻抗;如上所述，其為27°C/W.

圖2：應(yīng)在結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)之間計(jì)算和添加的熱阻的圖示典型的TO-220應(yīng)用中的環(huán)境空氣。 （圖像來源：CUI Inc。）

在圖2的圖形中，可以看出所需的第一個(gè)熱阻抗是“結(jié)到殼體”，用符號(hào)RθJ-C表示。這表示熱量從產(chǎn)生熱量的結(jié)轉(zhuǎn)移到器件表面是多么容易，在本例中表示為TO-220。通常，供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表將列出此阻抗以及結(jié)點(diǎn)到環(huán)境值。這里，假設(shè)的結(jié)殼熱阻抗額定值為0.5°C/W.

由符號(hào)RθCS表示，所需的第二個(gè)熱阻抗是“殼體到槽”，a衡量熱量如何輕易地從設(shè)備的外殼傳遞到散熱器表面。由于兩個(gè)表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，因此通常建議在TO-220外殼和散熱器底座的表面之間使用熱界面材料（TIM或“熱化合物”），從熱學(xué)角度來看，他們都完全投入了。 TIM的應(yīng)用將顯著改善從TO-220表面到散熱器的熱傳遞，但必須考慮其相關(guān)的熱阻抗。

圖3：放大的表面到表面的圖示，描述了對(duì)熱界面材料（TIM）的需求（圖像來源：CUI公司）

解釋了熱界面材料

一般而言，TIM的特征在于它們的導(dǎo)熱率，以瓦特每米 - 攝氏度（W/（m℃））或瓦特/米 - 開爾文（W/（m K））為單位。在這個(gè)例子中，Celsius和Kelvin是可轉(zhuǎn)換的，因?yàn)閮烧叨际褂孟嗤臏囟葴y(cè)量增加，其中計(jì)算溫度的上升和下降;例如，45°C的溫升與45 K的溫升相同。

由于TIM的阻抗取決于厚度比（TIM），所以包括以米為單位的單位。整個(gè)區(qū)域的厚度（以米為單位）（TIM所覆蓋的區(qū)域，以米為單位 2 ），得到1/m（計(jì)算為m/m 2 = 1/米）。在此示例中，在TO-220外殼表面的金屬標(biāo)簽區(qū)域上應(yīng)用了一層薄薄的TIM，具有如下特定屬性和應(yīng)用詳細(xì)信息：

《 p》使用上面列出的屬性，可以使用以下公式計(jì)算TIM的熱阻抗，使用儀表確保一致性：

選擇熱量接收器

所需的最后一個(gè)熱阻抗是“吸收到環(huán)境”，它由符號(hào)RθSA表示。該計(jì)算揭示了熱量如何容易地從散熱器的底部傳遞到周圍的環(huán)境空氣。電子元件制造商CUI是一家散熱器供應(yīng)商，提供如圖4所示的圖表，以展示熱量如何通過不同的氣流負(fù)載和條件輕松地從散熱器傳遞到環(huán)境空氣。

圖4：顯示典型散熱器安裝表面溫度升高超過環(huán)境溫度的圖表（圖像來源：CUI Inc。）

在此示例中，假設(shè)設(shè)備在自然對(duì)流條件下運(yùn)行而沒有任何氣流。該圖可用于計(jì)算此特定散熱器的最終熱阻抗，即吸收到環(huán)境溫度。表面溫度升高到高于環(huán)境溫度的量除以散熱量，得到在該特定操作條件下的熱阻抗的結(jié)果。這里，分散的熱量為2.78W，導(dǎo)致表面溫度升高到環(huán)境溫度53℃以上。將53°C除以2.78 W將導(dǎo)致吸收到環(huán)境的熱阻為19.1°C/W.

在之前的計(jì)算中，結(jié)與環(huán)境空氣之間允許的最大阻抗為27° C/W。減去結(jié)至殼體的阻抗（0.5°C/W）和殼體到吸收器的阻抗（0.45°C/W）導(dǎo)致散熱器的最大容差，計(jì)算為26.05°C/瓦;計(jì)算結(jié)果為27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W.

對(duì)于本例，在這些假設(shè)條件下，熱阻為19.1°C/W該散熱器遠(yuǎn)低于之前計(jì)算的26.05°C/W的容差。這轉(zhuǎn)換為TO-220封裝內(nèi)部較冷的硅結(jié)溫度以及設(shè)計(jì)中更寬的熱裕量。此外，結(jié)點(diǎn)的最高溫度可以通過將所有熱阻抗加在一起，然后將它們乘以結(jié)點(diǎn)處消耗的瓦特?cái)?shù)來近似，最后將結(jié)果加到最大環(huán)境溫度，如下所示：

此處演示的示例揭示了散熱器在應(yīng)用程序熱管理中的重要性。如果省略了散熱片，TO-220封裝內(nèi)的硅結(jié)將大大超過設(shè)計(jì)的額定極限125°C。這里使用的過程可以簡單地修改和重復(fù)，以幫助設(shè)計(jì)人員選擇適合各種不同應(yīng)用的合適尺寸的散熱片。

結(jié)論

散熱片有一個(gè)由于它們提供了將熱量傳遞到環(huán)境空氣中并遠(yuǎn)離電子設(shè)備的有效途徑，因此在電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。通過識(shí)別周圍環(huán)境的最高溫度以及設(shè)備內(nèi)消耗的功率，可以獲得散熱器選擇的優(yōu)化;既不太小也不會(huì)導(dǎo)致倦怠，也不會(huì)太大而不能浪費(fèi)金錢。此外，考慮TIM在兩個(gè)表面之間有效且一致地傳遞熱量的重要作用。

最后，一旦定義了應(yīng)用的參數(shù) - 環(huán)境溫度，功耗和熱阻抗路徑 - 審查CUI的板級(jí)散熱器產(chǎn)品組合，以確定適合該項(xiàng)目冷卻需求的模型。