散热器的选择与设备应用的规格分析

电子设计 发表于 2019-01-17 08:15:00 收藏 已收藏
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散热器的选择与设备应用的规格分析

电子设计 发表于 2019-01-17 08:15:00
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散热片很重要!电路设计的一个重要方面是,它们提供了一种有效的热量输送路径,可以将电子设备(例如BJT,MOSFET和线性稳压器)转移到环境空气中。

它们的作用在于创造在发热装置上具有较大的表面积,并且这样做可以更有效地将热量传递出去并进入其周围环境。改善器件外部的热路径可以降低器件连接处的温升。

本文旨在介绍选择散热器问题的高级介绍,并从中获取热量数据。设备应用以及散热器提供商提供的规格。

是否需要散热器?

出于本文的目的,我们假设有问题的应用有采用TO-220封装的晶体管,其导通和开关损耗等于2.78 W的功耗。此外,环境工作温度不会超过50°C。这个晶体管是否需要散热片?

散热器的选择与设备应用的规格分析

图1:带散热片的典型TO-220封装的正面和侧面视图(图像源:CUI Inc。)

首先,必须组装和消化所有可能阻止2.78 W被散射到环境空气中的热阻抗的特征。如果它们无法有效分散,则TO-220封装内的结温将超过建议的工作要求,对于硅,通常为125°C。

一般情况下,晶体管供应商会记录任何结 - 环境热阻抗,用符号RθJA表示,以°C/W为单位测量。对于器件内消耗的每单位功率(瓦特),该单元表示结温预计会增加到TO-220封装周围环境温度以上的数量。

将其置于上下文中晶体管供应商证明,结至环境的热阻为62°C/W,TO-220封装内的2.78 W功耗将使结温升至环境温度以上172°C;计算值为2.78 W x 62°C/W.如果假设该器件的最坏情况环境温度为50°C,则结温将达到222°C,计算温度为50°C + 172°C。由于这远远超过125°C的额定硅温度,因此很可能对晶体管造成永久性损坏。因此,绝对需要散热器。

将散热片连接到应用会显着降低结到环境的热阻抗。在下一阶段,确定提供安全可靠操作所需的热阻抗路径有多低。

建立热阻抗路径

为了确定热阻抗路径,从最大可容忍的温度上升开始。如果器件的最大环境工作温度为50°C,并且我们已经确定硅结需要保持在125°C或更低,则最高允许温升为75°C;这计算为125°C - 50°C。

下一步是计算结本身与环境空气之间的最大可容忍热阻抗。如果最高允许温升为75°C,TO-220封装内耗散功率为2.78 W,那么最大允许温度阻抗为27°C/W;计算为75°C÷2.78 W。

最后,计算从硅结到环境空气的所有热阻抗路径,并确认它们的总和小于最大允许热阻抗;如上所述,其为27°C/W.

散热器的选择与设备应用的规格分析

图2:应在结点和结点之间计算和添加的热阻的图示典型的TO-220应用中的环境空气。 (图像来源:CUI Inc。)

在图2的图形中,可以看出所需的第一个热阻抗是“结到壳体”,用符号RθJ-C表示。这表示热量从产生热量的结转移到器件表面是多么容易,在本例中表示为TO-220。通常,供应商的数据表将列出此阻抗以及结点到环境值。这里,假设的结壳热阻抗额定值为0.5°C/W.

由符号RθCS表示,所需的第二个热阻抗是“壳体到槽”,a衡量热量如何轻易地从设备的外壳传递到散热器表面。由于两个表面有时会出现不规则现象,因此通常建议在TO-220外壳和散热器底座的表面之间使用热界面材料(TIM或“热化合物”),从热学角度来看,他们都完全投入了。 TIM的应用将显着改善从TO-220表面到散热器的热传递,但必须考虑其相关的热阻抗。

散热器的选择与设备应用的规格分析

图3:放大的表面到表面的图示,描述了对热界面材料(TIM)的需求(图像来源:CUI公司)

解释了热界面材料

一般而言,TIM的特征在于它们的导热率,以瓦特每米 - 摄氏度(W/(m℃))或瓦特/米 - 开尔文(W/(m K))为单位。在这个例子中,Celsius和Kelvin是可转换的,因为两者都使用相同的温度测量增加,其中计算温度的上升和下降;例如,45°C的温升与45 K的温升相同。

由于TIM的阻抗取决于厚度比(TIM),所以包括以米为单位的单位。整个区域的厚度(以米为单位)(TIM所覆盖的区域,以米为单位 2 ),得到1/m(计算为m/m 2 = 1/米)。在此示例中,在TO-220外壳表面的金属标签区域上应用了一层薄薄的TIM,具有如下特定属性和应用详细信息:

散热器的选择与设备应用的规格分析

《 p》使用上面列出的属性,可以使用以下公式计算TIM的热阻抗,使用仪表确保一致性:

散热器的选择与设备应用的规格分析

选择热量接收器

所需的最后一个热阻抗是“吸收到环境”,它由符号RθSA表示。该计算揭示了热量如何容易地从散热器的底部传递到周围的环境空气。电子元件制造商CUI是一家散热器供应商,提供如图4所示的图表,以展示热量如何通过不同的气流负载和条件轻松地从散热器传递到环境空气。

散热器的选择与设备应用的规格分析

图4:显示典型散热器安装表面温度升高超过环境温度的图表(图像来源:CUI Inc。)

在此示例中,假设设备在自然对流条件下运行而没有任何气流。该图可用于计算此特定散热器的最终热阻抗,即吸收到环境温度。表面温度升高到高于环境温度的量除以散热量,得到在该特定操作条件下的热阻抗的结果。这里,分散的热量为2.78W,导致表面温度升高到环境温度53℃以上。将53°C除以2.78 W将导致吸收到环境的热阻为19.1°C/W.

在之前的计算中,结与环境空气之间允许的最大阻抗为27° C/W。减去结至壳体的阻抗(0.5°C/W)和壳体到吸收器的阻抗(0.45°C/W)导致散热器的最大容差,计算为26.05°C/瓦;计算结果为27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W.

对于本例,在这些假设条件下,热阻为19.1°C/W该散热器远低于之前计算的26.05°C/W的容差。这转换为TO-220封装内部较冷的硅结温度以及设计中更宽的热裕量。此外,结点的最高温度可以通过将所有热阻抗加在一起,然后将它们乘以结点处消耗的瓦特数来近似,最后将结果加到最大环境温度,如下所示:

散热器的选择与设备应用的规格分析

此处演示的示例揭示了散热器在应用程序热管理中的重要性。如果省略了散热片,TO-220封装内的硅结将大大超过设计的额定极限125°C。这里使用的过程可以简单地修改和重复,以帮助设计人员选择适合各种不同应用的合适尺寸的散热片。

结论

散热片有一个由于它们提供了将热量传递到环境空气中并远离电子设备的有效途径,因此在电路设计中发挥重要作用。通过识别周围环境的最高温度以及设备内消耗的功率,可以获得散热器选择的优化;既不太小也不会导致倦怠,也不会太大而不能浪费金钱。此外,考虑TIM在两个表面之间有效且一致地传递热量的重要作用。

最后,一旦定义了应用的参数 - 环境温度,功耗和热阻抗路径 - 审查CUI的板级散热器产品组合,以确定适合该项目冷却需求的模型。

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