散熱片很重要！電路設(shè)計的一個重要方面是，它們提供了一種有效的熱量輸送路徑，可以將電子設(shè)備（例如BJT，MOSFET和線性穩(wěn)壓器）轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中。

它們的作用在于創(chuàng)造在發(fā)熱裝置上具有較大的表面積，并且這樣做可以更有效地將熱量傳遞出去并進入其周圍環(huán)境。改善器件外部的熱路徑可以降低器件連接處的溫升。

本文旨在介紹選擇散熱器問題的高級介紹，并從中獲取熱量數(shù)據(jù)。設(shè)備應(yīng)用以及散熱器提供商提供的規(guī)格。

是否需要散熱器？

出于本文的目的，我們假設(shè)有問題的應(yīng)用有采用TO-220封裝的晶體管，其導(dǎo)通和開關(guān)損耗等于2.78 W的功耗。此外，環(huán)境工作溫度不會超過50°C。這個晶體管是否需要散熱片？

圖1：帶散熱片的典型TO-220封裝的正面和側(cè)面視圖（圖像源：CUI Inc。）

首先，必須組裝和消化所有可能阻止2.78 W被散射到環(huán)境空氣中的熱阻抗的特征。如果它們無法有效分散，則TO-220封裝內(nèi)的結(jié)溫將超過建議的工作要求，對于硅，通常為125°C。

一般情況下，晶體管供應(yīng)商會記錄任何結(jié) - 環(huán)境熱阻抗，用符號RθJA表示，以°C/W為單位測量。對于器件內(nèi)消耗的每單位功率（瓦特），該單元表示結(jié)溫預(yù)計會增加到TO-220封裝周圍環(huán)境溫度以上的數(shù)量。

將其置于上下文中晶體管供應(yīng)商證明，結(jié)至環(huán)境的熱阻為62°C/W，TO-220封裝內(nèi)的2.78 W功耗將使結(jié)溫升至環(huán)境溫度以上172°C;計算值為2.78 W x 62°C/W.如果假設(shè)該器件的最壞情況環(huán)境溫度為50°C，則結(jié)溫將達到222°C，計算溫度為50°C + 172°C。由于這遠遠超過125°C的額定硅溫度，因此很可能對晶體管造成永久性損壞。因此，絕對需要散熱器。

將散熱片連接到應(yīng)用會顯著降低結(jié)到環(huán)境的熱阻抗。在下一階段，確定提供安全可靠操作所需的熱阻抗路徑有多低。

建立熱阻抗路徑

為了確定熱阻抗路徑，從最大可容忍的溫度上升開始。如果器件的最大環(huán)境工作溫度為50°C，并且我們已經(jīng)確定硅結(jié)需要保持在125°C或更低，則最高允許溫升為75°C;這計算為125°C - 50°C。

下一步是計算結(jié)本身與環(huán)境空氣之間的最大可容忍熱阻抗。如果最高允許溫升為75°C，TO-220封裝內(nèi)耗散功率為2.78 W，那么最大允許溫度阻抗為27°C/W;計算為75°C÷2.78 W。

最后，計算從硅結(jié)到環(huán)境空氣的所有熱阻抗路徑，并確認它們的總和小于最大允許熱阻抗;如上所述，其為27°C/W.

圖2：應(yīng)在結(jié)點和結(jié)點之間計算和添加的熱阻的圖示典型的TO-220應(yīng)用中的環(huán)境空氣。 （圖像來源：CUI Inc。）

在圖2的圖形中，可以看出所需的第一個熱阻抗是“結(jié)到殼體”，用符號RθJ-C表示。這表示熱量從產(chǎn)生熱量的結(jié)轉(zhuǎn)移到器件表面是多么容易，在本例中表示為TO-220。通常，供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表將列出此阻抗以及結(jié)點到環(huán)境值。這里，假設(shè)的結(jié)殼熱阻抗額定值為0.5°C/W.

由符號RθCS表示，所需的第二個熱阻抗是“殼體到槽”，a衡量熱量如何輕易地從設(shè)備的外殼傳遞到散熱器表面。由于兩個表面有時會出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，因此通常建議在TO-220外殼和散熱器底座的表面之間使用熱界面材料（TIM或“熱化合物”），從熱學(xué)角度來看，他們都完全投入了。 TIM的應(yīng)用將顯著改善從TO-220表面到散熱器的熱傳遞，但必須考慮其相關(guān)的熱阻抗。

圖3：放大的表面到表面的圖示，描述了對熱界面材料（TIM）的需求（圖像來源：CUI公司）

解釋了熱界面材料

一般而言，TIM的特征在于它們的導(dǎo)熱率，以瓦特每米 - 攝氏度（W/（m℃））或瓦特/米 - 開爾文（W/（m K））為單位。在這個例子中，Celsius和Kelvin是可轉(zhuǎn)換的，因為兩者都使用相同的溫度測量增加，其中計算溫度的上升和下降;例如，45°C的溫升與45 K的溫升相同。

由于TIM的阻抗取決于厚度比（TIM），所以包括以米為單位的單位。整個區(qū)域的厚度（以米為單位）（TIM所覆蓋的區(qū)域，以米為單位 2 ），得到1/m（計算為m/m 2 = 1/米）。在此示例中，在TO-220外殼表面的金屬標(biāo)簽區(qū)域上應(yīng)用了一層薄薄的TIM，具有如下特定屬性和應(yīng)用詳細信息：

《 p》使用上面列出的屬性，可以使用以下公式計算TIM的熱阻抗，使用儀表確保一致性：

選擇熱量接收器

所需的最后一個熱阻抗是“吸收到環(huán)境”，它由符號RθSA表示。該計算揭示了熱量如何容易地從散熱器的底部傳遞到周圍的環(huán)境空氣。電子元件制造商CUI是一家散熱器供應(yīng)商，提供如圖4所示的圖表，以展示熱量如何通過不同的氣流負載和條件輕松地從散熱器傳遞到環(huán)境空氣。

圖4：顯示典型散熱器安裝表面溫度升高超過環(huán)境溫度的圖表（圖像來源：CUI Inc。）

在此示例中，假設(shè)設(shè)備在自然對流條件下運行而沒有任何氣流。該圖可用于計算此特定散熱器的最終熱阻抗，即吸收到環(huán)境溫度。表面溫度升高到高于環(huán)境溫度的量除以散熱量，得到在該特定操作條件下的熱阻抗的結(jié)果。這里，分散的熱量為2.78W，導(dǎo)致表面溫度升高到環(huán)境溫度53℃以上。將53°C除以2.78 W將導(dǎo)致吸收到環(huán)境的熱阻為19.1°C/W.

在之前的計算中，結(jié)與環(huán)境空氣之間允許的最大阻抗為27° C/W。減去結(jié)至殼體的阻抗（0.5°C/W）和殼體到吸收器的阻抗（0.45°C/W）導(dǎo)致散熱器的最大容差，計算為26.05°C/瓦;計算結(jié)果為27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W.

對于本例，在這些假設(shè)條件下，熱阻為19.1°C/W該散熱器遠低于之前計算的26.05°C/W的容差。這轉(zhuǎn)換為TO-220封裝內(nèi)部較冷的硅結(jié)溫度以及設(shè)計中更寬的熱裕量。此外，結(jié)點的最高溫度可以通過將所有熱阻抗加在一起，然后將它們乘以結(jié)點處消耗的瓦特數(shù)來近似，最后將結(jié)果加到最大環(huán)境溫度，如下所示：

此處演示的示例揭示了散熱器在應(yīng)用程序熱管理中的重要性。如果省略了散熱片，TO-220封裝內(nèi)的硅結(jié)將大大超過設(shè)計的額定極限125°C。這里使用的過程可以簡單地修改和重復(fù)，以幫助設(shè)計人員選擇適合各種不同應(yīng)用的合適尺寸的散熱片。

結(jié)論

散熱片有一個由于它們提供了將熱量傳遞到環(huán)境空氣中并遠離電子設(shè)備的有效途徑，因此在電路設(shè)計中發(fā)揮重要作用。通過識別周圍環(huán)境的最高溫度以及設(shè)備內(nèi)消耗的功率，可以獲得散熱器選擇的優(yōu)化;既不太小也不會導(dǎo)致倦怠，也不會太大而不能浪費金錢。此外，考慮TIM在兩個表面之間有效且一致地傳遞熱量的重要作用。

最后，一旦定義了應(yīng)用的參數(shù) - 環(huán)境溫度，功耗和熱阻抗路徑 - 審查CUI的板級散熱器產(chǎn)品組合，以確定適合該項目冷卻需求的模型。