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电子元件传导散热值计算公式

时间:2019-12-19 00:03来源:皇朝游戏

电路板中,影响元器件可靠性的温度点是结温,即IC元器件、SOT429或TO47封装的内部硅片上的PN结温度,但该温度在元器件内部,实际上是不可测的,因此需要通过测量壳温,并查到元器件的热阻后,再通过辅助热计算间接得出。

壳温的测试有接触式测温和非接触式测温两种方式,接触式测温的优点是将测温热电偶或热敏电阻探头直接紧贴在元器件壳体表面测量,结果会比较准确,但测温探头紧贴在壳体表面上会破坏元器件的散热性能;非接触式测温一般是通过红外测温,误差稍大,而且其测温特点是只能测局部范围内的最高温度点,如果被测对象附近有更高的温度点,则测量结果可能不是被测对象的温度值。


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当把壳温测出来之后,再通过传导散热公式(2.8)计算得出结温。


其中,

ΔT是IC内硅片上PN结到IC封装外壳壳体表面的温度差(ΔT= Tj-Ts),单位为℃;

Ts是测得的壳体温度,单位为℃;

Rj是从PN结到壳体表面的热阻,从元器件的数据手册上可以查到,单位为℃/W;

Q是热耗,单位为W。

对能量转换类的元器件,Q=(1-K)×Pi,对非能量转换元器件,即一般功能性逻辑元器件,Q=Pi,(K为能量转换元器件的转换效率,Pi为元器件的输入电功率)。

如此,结温可以很容易推算得出,如果(Tj,Pi)这个工作点,超出了元器件负荷特性曲线的要求,则说明该元器件的热工作状态是超标的,长期在此状态下工作,存在着热失效的风险,必须重新进行热计算和热设计整改。如此反复多次,直到元器件的静态工作点满足负荷特性曲线(详见本章2.2.2小节)的有效工作范围,则热设计和热测试才算通过。

另外笔者也曾遇到有读者疑问,传导散热都采取加散热片的方式加速散热,可壳体表面加了散热片,散热片自身又有热阻,岂不是加大了对散热的阻碍?初看此问题,似乎有理,但深究下即可发现其中的问题,热阻不仅是有形的物体才有,无形的物体照样有热阻,比如空气。元器件散热到空气中,其热阻链路中的热阻包括以下内容。

· PN结-壳表面的热阻;

· 壳表面到散热片的接触热阻;

· 散热片本身的热阻;

· 散热片表面到空气的热阻;

· 散热片外的局部环境到机箱风道出口的热阻。

这些热阻的串联构成了芯片的散热通路。

加装了散热片后,从表面来看,新增加进来了一个散热片热阻,但如果不加这个热阻的话,机壳将直接与空气进行热交换,这两者间的热阻会更大,散热片的加入,加大了散热面积,意思是说壳-空气之间接触热阻>>(壳-散热片接触热阻+散热片热阻+散热片-空气的接触热阻)。

由此可以看出,加了散热片,大大减小了散热通道的总热阻,是对散热有很大贡献的。

例:一功率运算放大器PA02用作低频功放,元器件为8引脚TO-3金属外壳封装,元器件工作工作电压Us=18 V,负载阻抗RL=4 T皇朝游戏;,直流条件下工作频率为5 kHz,环境温度为40℃,拟采用自然冷却的方式,求解自然冷却的方式是否合适,是否需要加散热片。如需要,散热片热阻如何选型?

答:查PA02元器件资料:

静态电流Iq=27 mA,Iqmax=40 mA;

元器件从管芯到外壳的热阻典型值Rjc=2.4℃/W,Rjcmax=2.6℃/W;

元器件功耗Pd=Pdq+Pdout,Pdq为元器件内部电路功耗,Pdout为输出功率消耗。Pdq=Iqmax(Us+|-Us|)(|-Us|为运放负供电电压的绝对值)

Pdout=Us2/(4R)

 

 
则得出:
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从管芯到散热器表面的总热阻(Rsa+Rjc+Rcs)≤(Tj-Ta)/ Pd

式中,

Tj设为125 ℃,Ta设为40 ℃;

Rsa为散热器热阻;

Rjc为芯片热阻,取最大值2.6℃/W;

Rcs为接触热阻,取0.2℃/W(元器件和散热片之间有导热油脂)。

得出:Rsa≤(125-40)/21.69-2.6-0.2=1.119 ℃/W

查阅散热片数据手册,满足Rsa≤1.119 ℃/W的即可满足使用要求。

在传导散热中,散热器散热片是较常用的元器件。它一般是标准件,也可提供型材,是由用户根据要求切割成一定长度而制成的非标准散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理,其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10%~15%,在通风冷却下可提高3%,电泳涂漆可耐压500~800V。散热器皇朝游戏对不同型号的散热器给出热阻值或曲线,并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。

功率元器件使用散热器是要控制功率元器件的温度,尤其是结温Tj,使其低于功率元器件正常工作的安全结温,从而提高功率元器件的可靠性。

各种功率元器件的内热阻不同,皇朝游戏散热器时由于接触面和皇朝游戏力矩的不同而导致功率元器件与散热器的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是热阻Rsa。在不同的环境条件下,功率元器件的散热情况也不同。

在散热器选型时,热阻是必不可少的指标,热耗-温升曲线、风速-热阻曲线都是散热片选型必不可少的参考依据,如果生产皇朝游戏不能提供这两条曲线的话,则该元器件不能选用。风速-热阻的关系曲线就是架在传导散热与风冷散热之间的一座桥梁。

图2-30所示的是一个散热片的热耗—温升曲线图,图中A、B、C、D四条曲线分别对应了由于散热片表面风流速的不同所导致的散热效果的变化,FPM(Feet Per Minute)为风的流速单位(英尺/分钟),1 FPM=30.48 cm/min。由图2-30可以看出,同等热耗的情况下,随着流过散热片的风速的加大,壳体温升减小,这也是散热片上经常配风扇的主要原因,如PC台式机的CPU。

图中,

POWER DISSIPATED:热耗(单位:瓦);

CASE TEMP RISE ABOVE AMBIENT:壳体温升(以环境温度为基础);

FREE AIR:自然通风情况下;

FPM with Dissipator:风速单位,英尺/每分钟(有散热片的情况下)。

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图2-30
 

图2-31所示的是两个皇朝游戏系的组合,左侧皇朝游戏和底皇朝游戏构成了热耗-温升皇朝游戏系,顶部横皇朝游戏和右侧纵皇朝游戏构成了风速-热阻曲线。

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图2-31
 

由图2-31中的风速-热阻曲线可以看出,随着风速的增加,热阻是在下降的,但是下降到一定程度后,即使风速再增加,热阻的变化也是微乎其微的,已没有明显效果。在图2-31示例的散热片上,在500 FPM流速的时候就达到了临界点。因此,对于散热片的选型,皇朝游戏面做对热阻需求的计算,另皇朝游戏面要通过这些曲线分析是否需要增加辅助通风进行散热,辅助通风的速度是多大。

 

 

 

 

 

 

 

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