散热器:设计散热分步指南

作者:Aaron Yarnell

散热器非常重要!作为电路设计的一个重要方面,散热器提供了一种有效的途径,将热量从电子器件(如 BJT、MOSFET 和线性稳压器)传递出去并散发到周围空气中。

散热器的作用是在发热器件上形成更大的表面积,从而更有效地将热量传递出来并散发到周围环境中。设备散热路径经过改善后可以降低元件接合处的任何温升。

本文旨在利用器件应用中的热数据并结合散热器供应商提供的规格,对散热器的选择问题进行深入探讨。

需要散热器吗?

对于本文而言,我们假设所讨论的应用中有一个采用 TO-220 封装的晶体管,其中导通和开关损耗等于 2.78 W 功耗。此外,环境工作温度不会超过 50°C。这个晶体管需要散热器吗?

配备散热器的典型 TO-220 封装的正视图和侧视图示意图

图 1:配备散热器的典型 TO-220 封装的正视图和侧视图(图片来源:CUI Inc

首先,必须找出并理解可能阻止 2.78 W 热量耗散到周围空气中的所有热阻的特征。如果不能有效地分散这些特征,TO-220 封装内的结温将超过理想的最高工作温度,具体对此应用而言,我们确定为 125°C。

一般而言,晶体管供应商会记录所有结环热阻,并用符号 Rθ J-A 表示,计量单位为 °C/W。该单位表示,器件内每消耗一个功率单位(瓦),预计结温将会升高到 TO-220 封装周围环境温度以上的温度值。

举例说明,当晶体管供应商记录的结环热阻为 62°C/W 时,TO-220 封装内的 2.78 W 功耗将使结温升高到高于环境温度 172°C 以上,计算方法:2.78 W x 62°C/W。如果假设该器件的最坏环境温度为 50°C,则结温将达到 222°C,计算方法:50°C + 172°C。既然这已经远超规定的 125°C 最高硅温度,就必须采用散热器。

如果针对此应用安装散热器,则会显著降低结环热阻。下一步,确定需要多低的热阻通路才能确保操作安全可靠。

确定热阻路径

为确定热阻路径,首先需要确定最大容许温升。如果器件的最高环境工作温度为 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,计算方法:125°C - 50°C。

下一步,计算硅结本身与周围空气之间的最大容许热阻。如果最高允许温升为 75°C,并且 TO-220 封装内的功耗测量值为 2.78 W,则最大允许热阻为 27°C/W,计算方法:75°C ÷ 2.78 W。

最后,计算出从硅结到周围空气的所有热阻通路,并确认它们的总和小于上文计算出的最大允许热阻 27°C/W。

应计算的热阻图示图片

图 2:典型 TO-220 应用中应在结点与周围空气之间计算和添加的热阻图示。(图片来源:CUI, Inc.)

从图 2 可以看出,需要考虑的第一个热阻是“结壳”热阻,用符号 Rθ J-C 表示。该图显示了热量从产生热量的结点转移到器件表面的容易程度(本示例以 TO-220 作为示范)。一般情况下,供应商的规格书会列出该热阻以及结环热阻值。此处假设的结壳热阻额定值为 0.5°C/W。

需要考虑的第二个热阻是“外壳至散热器”热阻,用符号 Rθ C-S 表示,该热阻值用于衡量热量从器件外壳传递到散热器表面的容易程度。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 外壳表面及散热器底座表面之间涂抹导热界面材料(TIM 或“导热膏”),从而在热学的角度确保两个表面完全接合。涂抹 TIM 会显著改善 TO-220 表面到散热器之间的热传递,但必须考虑其相关的热阻。

表面对表面放大示意图

图 3:说明需要导热界面材料 (TIM) 的表面对表面放大示意图(图片来源:CUI Inc.)

导热界面材料说明

一般而言,TIM 的特征取决于它们的导热率,计量单位为“瓦/米-摄氏度 (W/(m °C))”或“瓦/米-开尔文 (W/(m K))”。在本示例中,摄氏度和开尔文单位可以互换,因为在计算温升和温降时,它们使用的是相同的温度计量增量;例如,45°C 温升与 45 K 温升相同。

由于 TIM 的热阻依赖于其厚度(TIM 的厚度单位为米)与所覆盖的整个区域面积(TIM 覆盖的面积单位为 m2)之比,因此包括了单位米,并得出 1/m 的结果(计算方法:m/m2 = 1/m)。在此示例中,TO-220 外壳表面的金属片区域涂抹了一层薄薄的 TIM,其特定属性和涂抹细节如下:

等式 1

使用上面列出的属性,可以根据以下公式计算出 TIM 的热阻(为保持一致性,用米作为单位):

等式 2

选择散热器

需要考虑的最后一个热阻是“散热器到环境”热阻,由符号 Rθ S-A 表示。该热阻值的计算可以揭示热量从散热器底座转移到周围周围空气中的容易程度。电子元器件制造商 CUI 是一家散热器供应商,提供了像图 4 所示的图形,展示了通过不同的气流负荷和条件,热量可以轻易地从散热器转移到周围空气中。

展示典型散热器安装表面高于环境温度温升的图形

图 4:展示典型散热器安装表面高于环境温度温升的图形(图片来源:CUI Inc.)

在此示例中,假设器件在自然对流且没有任何气流的条件下工作。该图可用于计算此特定散热器的最终热阻,即散热器到环境热阻。用表面高于环境温度的温升量除以散热量,可以得出该特定工作条件下的热阻。此处耗散的热量为 2.78 W,导致表面高于环境温度的温升为 53°C。用 53°C 除以 2.78 W 可以得出散热器到环境的热阻值为 19.1°C/W。

在之前的计算中,结点与周围空气之间的最大允许热阻为 27°C/W。减去结壳热阻 (0.5°C/W) 以及外壳至散热器的热阻 (0.45°C/W),即可得出散热器的最大允许热阻,计算结果为 26.05°C/W,计算方法为:27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W。

就本示例而言,在这些假设条件下,该散热器 19.1°C/W 的热阻远低于先前计算的允许值 26.05°C/W。如此意味着 TO-220 封装内部的硅结温温度更低,设计热裕量更宽。此外,通过将所有热阻相加,然后乘以结点处耗散的瓦特数,最后将结果加到最高环境温度,可以得出结点最高温度的近似值,如下所示:

等式 3

此处展示的示例揭示了散热器在应用热管理中的重要性。如果不安装散热器,TO-220 封装内的硅结将远远超出 125°C 的设计额定限值。只需修改并重复此处使用的流程,即可帮助设计人员为各种不同的应用选择尺寸合适的散热器。

总结

散热器在电路设计中扮演着重要的角色,因为它们提供了一个有效的通路,将热量传递到周围空气中,并使之远离电子器件。通过确定周围环境的最高温度以及器件内的功耗,可以优化散热器的选择;散热器既不能太小,导致器件烧毁,也不能太大,导致成本浪费。此外,还应考虑 TIM 在两个表面之间高效一致地传递热量所起的重要作用。

最后,确定了应用的参数(环境温度、功耗和热阻路径)之后,查看 CUI 的板级散热器产品组合,即可确定适合项目冷却需求的正确型号。

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关于此作者

Aaron Yarnell

Article provided by Aaron Yarnell, Field Applications Engineering Manager, CUI.