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芯片热阻计算及散热器/片的选择

2013-10-23 16:11
龙凰
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  目前的电子产品主要采用贴片式封装器件,但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装,这主要是可方便地安装在散热器上,便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算,其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器,以保证器件或模块安全、可靠地工作。

  散热器简介

  小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成,而大型散热器由铝合金挤压形成型材,再经机械加工及表面处理制成。它们有各种 形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器一般是标准件,也可提供型材,由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。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。

  散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线,并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。

  散热计算

  任何器件在工作时都有一定的损耗,大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小,无需散热装置。而大功率器件损耗大,若不采取散热措施,则管芯的温 度可达到或超过允许的结温,器件将受到损坏。因此必须加散热装置,最常用的就是将功率器件安装在散热器上,利用散热器将热量散到周围空间,必要时再加上散 热风扇,以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板,它有更好的散热效果。 散热计算就是在一定的工作条件下,通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部,经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却,这称为自然冷却或自然对流散热。

  热量在传递过程有一定热阻。由器件晶片传到器件表面的热阻为RJC,器件表面与散热器之间的热阻为R CS,散热器将热量散到周围空间的热阻为RSA,总的热阻RJA=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率损耗为PD,并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA,可以按下式求出允许的总热阻R JA。

  R JA≤(TJ-TA)/PD

  则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为

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

  出于为设计留有余地的考虑,一般设TJ为125℃。环境温度也要考虑较坏的情况,一般设TA=40℃ 60℃。R JC的大小与管芯的尺寸封装结构有关,一般可以从器件的数据资料中找到。R CS的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后,再与散热器安装,其R CS典型值为0.1 0.2℃/W;若器件底面不绝缘,需要另外加云母片绝缘,则其R CS可达1℃/W。PD为实际的最大损耗功率,可根据不同器件的工作条件计算而得。这样,R SA可以计算出来,根据计算的R SA值可选合适的散热器了。

  计算实例

  一功率运算放大器PA02(APEX公司产品)作低频功放,其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下:工作电压 VS为 18V;负载阻抗RL为4 ,工作频率直流条件下可到5kHz,环境温度设为40℃,采用自然冷却。

  查PA02器件资料可知:静态电流IQ典型值为27mA,最大值为40mA;器件的R JC(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W,最大值为2.6℃/W。

  器件的功耗为PD:

  PD=PDQ+PDOUT

  式中PDQ为器件内部电路的功耗,PDOUT为输出功率的功耗。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

  式中静态电流取37mA。

  散热器热阻R SA计算:R SA≤({T_{J}-T_{A}}\Over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})

  为留有余量,TJ设125℃,TA设为40℃,R JC取最大值(R JC=“2”.6℃/W),R CS取0.2℃/W,(PA02直接安装在散热器上,中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得

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

  HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W,可满足散热要求。

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