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      2. 功率器件的散熱計算及散熱器選擇

        Heat Dispersion Calculation For Power Devices and Radiators Selection

        ■北京航空航天大學 方佩敏

        目前的電子產品主要采用貼片式封裝器件,但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封裝,這主要是可方便地安裝在散熱器上,便于散熱。進行大功率器件及功率模塊的散熱計算,其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器,以保證器件或模塊安全、可靠地工作。


        散熱計算


        任何器件在工作時都有一定的損耗,大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小,無需散熱裝置。而大功率器件損耗大,若不采取散熱措施,則管芯的溫度可達到或超過允許的結溫,器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置,最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上,利用散熱器將熱量散到周圍空間,必要時再加上散熱風扇,以一定的風速加強冷卻散熱。在某些大型設備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板,它有更好的散熱效果。散熱計算就是在一定的工作條件下,通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部,經散熱器將熱量散到周圍空間。若沒有風扇以一定風速冷卻,這稱為自然冷卻或自然對流散熱。

        熱量在傳遞過程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC,器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS,散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA,總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率損耗為PD,并已知器件允許的結溫為TJ、環境溫度為TA,可以按下式求出允許的總熱阻R JA。

        R JA≤(TJ-TA)/PD

        則計算最大允許的散熱器到環境溫度的熱阻R SA為

        R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS)

        出于為設計留有余地的考慮,一般設TJ為125℃。環境溫度也要考慮較壞的情況,一般設TA=40℃ 60℃。R JC的大小與管芯的尺寸封裝結構有關,一般可以從器件的數據資料中找到。R CS的大小與安裝技術及器件的封裝有關。如果器件采用導熱油脂或導熱墊后,再與散熱器安裝,其R CS典型值為0.1 0.2℃/W;若器件底面不絕緣,需要另外加云母片絕緣,則其R CS可達1℃/W。PD為實際的最大損耗功率,可根據不同器件的工作條件計算而得。這樣,R SA可以計算出來,根據計算的R SA值可選合適的散熱器了。


        散熱器簡介


        小型散熱器(或稱散熱片)由鋁合金板料經沖壓工藝及表面處理制成,而大型散熱器由鋁合金擠壓形成型材,再經機械加工及表面處理制成。它們有各種形狀及尺寸供不同器件安裝及不同功耗的器件選用。散熱器一般是標準件,也可提供型材,由用戶根據要求切割成一定長度而制成非標準的散熱器。散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理,其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高10 15%,在通風冷卻下可提高3%,電泳涂漆可耐壓500 800V。

        散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關曲線,并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。


        計算實例


        一功率運算放大器PA02(APEX公司產品)作低頻功放,其電路如圖1所示。器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下:工作電壓 VS為 18V;負載阻抗RL為4 ,工作頻率直流條件下可到5kHz,環境溫度設為40℃,采用自然冷卻。

        查PA02器件資料可知:靜態電流IQ典型值為27mA,最大值為40mA;器件的R JC(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W,最大值為2.6℃/W。


        器件的功耗為PD:


        PD=PDQ+PDOUT

        式中PDQ為器件內部電路的功耗,PDOUT為輸出功率的功耗。PDQ=IQ(VS+|-VS|),PDOUT=V^{2}_{S}/4RL,代入上式
        PD=IQ(VS+|-VS|)+V^{2}_{S}/4RL
        =37mA(36V)+18V2/4 4
        =21.6W
        式中靜態電流取37mA。
        散熱器熱阻R SA計算:R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})

        為留有余量,TJ設125℃,TA設為40℃,R JC取最大值(R JC=2.6℃/W),R CS取0.2℃/W,(PA02直接安裝在散熱器上,中間有導熱油脂)。將上述數據代入公式得

        R SA≤{125℃-40℃}\over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W

        HSO4在自然對流時熱阻為0.95℃/W,可滿足散熱要求。


        注意事項

        1.在計算中不能取器件數據資料中的最大功耗值,而要根據實際條件來計算;數據資料中的最大結溫一般為150℃,在設計中留有余地取125℃,環境溫度也不能取25℃(要考慮夏天及機箱的實際溫度)。

        2.散熱器的安裝要考慮利于散熱的方向,并且要在機箱或機殼上相應的位置開散熱孔(使冷空氣從底部進入,熱空氣從頂部散出)。

        3.若器件的外殼為一電極,則安裝面不絕緣(與內部電路不絕緣)。安裝時必須采用云母墊片來絕緣,以防止短路。

        4.器件的引腳要穿過散熱器,在散熱器上要鉆孔。為防止引腳與孔壁相碰,應套上聚四氟乙稀套管。

        5.另外,不同型號的散熱器在不同散熱條件下有不同熱阻,可供設計時參改,即在實際應用中可參照這些散熱器的熱阻來計算,并可采用相似的結構形狀(截面積、周長)的型材組成的散熱器來代用。

        6.在上述計算中,有些參數是設定的,與實際值可能有出入,代用的型號尺寸也不完全相同,所以在批量生產時應作模擬試驗來證實散熱器選擇是否合適,必要時做一些修正(如型材的長度尺寸或改變型材的型號等)后才能作批量生產。

        IDT熱量數據

        查看熱量數據 - (Excel)

        考慮到微電子器件的功率消耗問題,熱能管理對于任何電子產品能否達到最佳性能是至關重要的。微電子器件的操作溫度決定了產品的速度和可靠性。IDT積極致力于加強其產品和封裝的研發,以達到最佳的速度和可靠性。然而,產品性能經常受到執行情況影響,因此小心處理各項影響操作溫度的因素有助于充分發揮產品的功能。

         

        影響器件操作溫度最重要的因素包括功率消耗、空氣溫度、封裝構造和冷卻裝置等。以上這些因素共同決定了產品的操作溫度。以下是目前計算操作溫度所采用的方程式

        QJA = (TJ - TA)/P

        QJC = (TJ - TC)/P

        QCA = (TC - TA)/P

        QJA = QJC + QCA

        TJ = TA + P [QJA ]

        TC = TA + P [QCA ]

        QJA = 管芯到周圍環境空氣的封裝熱阻力 (每瓦攝氏度)

        QJC = 管芯到封裝外殼的封裝熱阻力 (每瓦攝氏度)

        QCA = 封裝外殼到周圍環境空氣的封裝熱電阻 (每瓦攝氏度)

        TJ = 平均管芯溫度 (攝氏度)

        TC = 封裝外殼溫度 (攝氏度)

        TA = 周圍環境空氣溫度 (攝氏度)

        P = 功率 (瓦)

        以上方程式是目前決定封裝溫度的方法。業界有時會采用更為精確和復雜的方法,但相應地需要獲得更多的裝配條件和冷卻設備方面的信息。由于收集這些信息是相當困難的,這些簡單的方法就通常被用來比較不同封裝的熱性能和預測操作溫度。

        熱或冷:熱阻值是關鍵因素

        熱阻值是測試的關鍵因素。它是種決定散熱器性能表現的測試方法。它是根據下列公式,從處理器的電壓損失PV、芯片溫度TD和環境溫度TA所計算出來:

        Rtherm=(TD-TA)/PV單位K/W

         

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        更新時間:2010.02.26    查看次數:2852
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