散热器的选择方法

2017年7月25日 作者:Aaron Yarnell

散热器的选择方法

散热器是电路设计的重要元素,因为它们提供高效的路径,引导热量传递到大气中,离开电子设备(例如,BJT、MOSFET、线性稳压器等)。散热器背后的一般原理是增加发热设备的面积,从而能够更加高效地将热量传递到周围环境中。这一经过改进的散热路径减缓了电子设备结的温升。下面的文章旨在提供一份高水平的初级读物,介绍如何利用您应用中的热数据和散热器供应商的规格选择散热器。

是否需要散热器?

在这篇文章的剩余部分,让我们假设正在使用一个采用TO-220封装的晶体管开发一种应用,晶体管的开关和传导损耗等于2.78W的功耗,并且该应用的环境工作温度不会超过50℃。该晶体管需要散热器吗?

带有散热器的典型TO-220封装的正面和侧面图
带有散热器的典型TO-220封装的正面和侧面图

第一步就是收集并了解阻止2.78W散发到大气中的所有热阻。如果不能有效散发这些功率,则TO-220封装内的结温将超过建议工作条件的范围(硅的建议范围通常为125°C)。

多数晶体管供应商都会记录“结到环境”的热阻,用符号Rθ J-A表示,并且以°C/W作为度量单位。该值表示设备每散发一瓦特的功率,TO-220封装周围的结温会比环境温度升高多少。

例如,如果晶体管供应商声明结到环境的热阻为62°C/W,就表示要在TO-220封装中散发2.78W的热量,就会导致结温比环境温度高172°C(按照2.78 W x 62°C/W计算)。假设这一应用在最坏的情况下环境温度为50°C,那么结温将达到222°C(按照50°C + 172°C计算)。这就远远超出硅的额定温度125°C,并将造成晶体管永久损坏。因此必须安装散热器。安装散热器之后,将显著降低结到环境的热阻。下一步是确定需要达到多低的热阻路径,才能保障安全可靠的运行。

确定热阻路径

要确定热阻路径,首先从最大的允许温升开始计算。如果应用的最高环境工作温度是50°C,并且硅结的温度必须保持在125°C或以下,那么最大允许温升为75°C(按照125°C - 50°C计算)。

然后计算结与大气之间的最大允许热阻。如果最大允许温升为75°C,并且TO-220封装中散发的功率为2.78W,那么最大允许热阻将为27°C/W(按照75°C ÷ 2.78 W计算)。

最后,将硅结到大气的所有热阻路径相加,并确保总和低于最大允许热阻;在本示例中为27°C/W。

图示在典型TO-220应用中必须计算并相加的结与大气之间的热阻
图示在典型TO-220应用中必须计算并相加的结与大气之间的热阻

从上图可见,需要的第一个热阻是“结到安装盒”的热阻,以符号Rθ J-C表示。这是衡量热量从产生处的结向外传递到设备表面(安装盒)的难易程度系数(在本示例中为TO-220)。多数供应商都会在其数据表,以及结到大气度量值中列举这一热阻。在这一示例中,假定的结到安装盒热阻为0.5°C/W。

需要的第二个热阻是“安装盒到散热器”的热阻,以符号Rθ C-S表示。这是衡量热量从设备表面(安装盒)传递到散热器表面的难易程度系数。由于TO-220安装盒与散热器底座表面形状不规则,通常建议在两个表面之间使用热界面材料(TIM或“导热化合物”),确保两者在散热方面实现充分结合。这可显著改善从TO-220安装盒到散热器的传热,却不会产生必须考虑在内的相关热阻。

表明需要热界面材料(TIM)的表面间放大图
表明需要热界面材料(TIM)的表面间放大图

热界面材料说明

热界面材料(TIM)通常以按照瓦特每米-摄氏度(W/(m °C))或瓦特每米-开氏度(W/(m K))计算的导热系数进行表征。摄氏度和开氏度在本示例中可以互换,因为两者采用相同的温度测量增量,而且计算的是温度的升高/降低幅度(例如,45°C温升等于45K温升)。出现米作单位是因为TIM的热阻取决于厚度比(按米计算的TIM材料厚度)与面积(按米2计算的TIM摊铺面积)之比,结果为1/m(按m/m2 = 1/m计算)。在本示例中,会在TO-220安装盒的金属标签区域涂布一层薄薄的TIM。以下为本示例中所用特定TIM的特性和应用详情:

TIM导热系数("K"):0.79 W/(m °C) = 0.79 W/(m K)

TIM涂布面积:112 mm2 = 0.000112 m2

TIM涂布厚度:0.04 mm = 0.00004 m

可通过以下等式(注意使用米保持单位一致),利用上述特性计算TIM的热阻:

Rθ C-S = (厚度 / 面积) x (1 / 导热)

Rθ C-S = (0.00004 / 0.000112) x (1 / 0.79)

Rθ C-S = 0.45 C/W 0.45 K/W

散热器的选择

需要的最后一个热阻是“散热器到环境”的热阻,以符号Rθ S-A表示。这是衡量热量从散热器底座传递到大气的难易程度系数。CUI等散热器供应商通常会提供如下图表或数据点,说明在各种气流条件和负荷下,热量从散热器传递到大气的难易程度。

图表显示了典型散热器安装表面相对于室温的温升
图表显示了典型散热器安装表面相对于室温的温升

在本示例中,假设应用在没有任何气流的自然对流条件下运行。上文图表可用于计算这一特定散热器的最终热阻(散热器到环境)。将相对于环境温度的表面温升除以散发的热量,得出具体运行条件下的热阻。在本示例中,散发的热量为2.78W,可导致表面温度相对于环境温度升高53°C。将53°C除以2.78W得出散热器到环境的热阻为19.1°C/W(按照53°C2.78 ÷ W计算)。

在前面的计算中,结与大气之间的最大允许热阻为27°C/W。减去结到安装盒的热阻(0.5°C/W)和安装盒到散热器的热阻(0.45°C/W),然后得出散热器的最大容许裕量为26.05°C/W(按照27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W计算)。该散热器在假定条件下的热阻为19.1°C/W,完全低于之前计算的26.05°C/W容许值。这就表示TO-220封装内部具有更低的硅结温度和设计中具有更多的热工裕量。结的最高温度可通过将所有热阻相加,然后乘以结中散发的功率数,再将结果加上最高环境温度,估算得出:

估算结温 = T环境 + 功率数 x ( RθJ-C + Rθ C-S + Rθ S-A)

估算结温 = 50 + 2.78 x ( 0.5 + 0.45 + 19.1)

估算结温 = 105.7°C

散热器的重要性

本示例已经证明,散热器是热管理中的重要元素。如果没有散热器,TO-220封装内的硅结温度可能远远超过125°C的额定限制。本示例中采用的过程易于修改和复制,从而协助设计人员为大量不同的应用选择合适尺寸的散热器。

要点

  • 散热器是电路设计的重要元素,因为它们提供高效的路径,引导热量传递到大气中,离开电子设备。
  • 确定周围环境的最高温度和应用中散发的功率有助于做出最优的散热器选择;既不会因为太小而导致烧坏,也不会因为太大而浪费资金。
  • 热界面材料(TIM)发挥了重要作用,能够更加高效稳定地在两个表面之间传递热量。
  • 一旦确定了应用的参数(例如,环境温度、功耗、热阻路径等),CUI的参数搜索功能就能帮助查找恰好适合现有任务的散热器。

有用资源

如需了解更多散热器信息,请访问我们的热管理版块


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Aaron Yarnell

Aaron Yarnell

现场应用工程经理

作为电力设计工程师,Aaron Yarnell 拥有近 15 年的电子行业从业经验,其工作涉及范围广泛的产品技术,负责范围从产品设计和开发到现场应用支持、制造、技术写作等。经过 MBA 学习后,Aaron 对于其职责相关的业务领域有了更深入的了解。除了在专业方面的荣誉外,Aaron 还前往俄勒冈海岸,与家人、朋友度过美好时光,追逐梦想,合作完成有趣的项目。

 
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