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.由器件管芯传到器件底部的热阻为R JC,器件底部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R SA,总的热阻R JA=R JC+R CS+R SA.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.
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.
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.
注意事项
1.在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值,而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为150℃,在设计中留有余地取125℃,环境温度也不能取25℃(要考虑夏天及机箱的实际温度).
2.散热器的安装要考虑利于散热的方向,并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入,热空气从顶部散出).
3.若器件的外壳为一电极,则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘).安装时必须采用云母垫片来绝缘,以防止短路.
4.器件的引脚要穿过散热器,在散热器上要钻孔.为防止引脚与孔壁相碰,应套上聚四氟乙稀套管.
5.另外,不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻,可供设计时参改,即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算,并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用.
6.在上述计算中,有些参数是设定的,与实际值可能有出入,代用的型号尺寸也不完全相同,所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适,必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产.
