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)

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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(shè)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(shè)計留有余地的考慮，一般設(shè)TJ為125℃。環(huán)境溫度也要考慮較壞的情況，一般設(shè)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(shè)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(shè)125℃，TA設(shè)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。