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電子類散熱器產(chǎn)品的熱阻計算方式方法及案例(含計算公式)


來源:www.7683045.cn

     現(xiàn)在所用到的很多電子類產(chǎn)品所使用的解決散熱問題的散熱器,尤其是外型較小的都是采用高集成的封裝方式,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鋁型材散熱器上,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電子散熱器,以保證器件或模塊安全、可靠地工作。

 
    熱阻計算方式
    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(jié)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(jīng)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。由器件晶片傳到器件表面的熱阻為RJC,器件表面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RSA,總的熱阻RJA=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為PD,并已知器件允許的結(jié)溫為TJ、環(huán)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(huán)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(huán)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(jié)構(gòu)有關(guān),一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。R CS的大小與安裝技術(shù)及器件的封裝有關(guān)。如果器件采用導熱油脂或?qū)釅|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(jù)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(jù)計算的R SA值可選合適的散熱器了。
 
    計算方法案例
     一功率運算放大器PA02(APEX公司產(chǎn)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(huán)境溫度設為40℃,采用自然冷卻。
查PA02器件資料可知:靜態(tài)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(nèi)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(tài)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(shù)據(jù)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。

    計算注意事項
    1.在計算中不能取器件數(shù)據(jù)資料中的最大功耗值,而要根據(jù)實際條件來計算;數(shù)據(jù)資料中的最大結(jié)溫一般為150℃,在設計中留有余地取125℃,環(huán)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)。

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