散熱器設計的基本計算

一、概念

1、熱路：由熱源出發，向外傳播熱量的路徑。在每個路徑上，必定經過一些不同的介質，熱路中任何兩點之間的溫度差，都等於器件的功率乘以這兩點之間的熱阻，就像電路中的歐姆定律，與電路等效關係如下。

熱路

電路

熱耗 P （W）

電流 V_abI （A）

溫差△T=T₁－T₂ （℃）

電壓 V_ab=V_a－V_b （V）

熱阻 R_th=△T/P （℃/ W）

電阻 R=V_ab/I （Ω）

熱阻串聯 R_th=R_th1＋R_th2＋…

電阻串聯 R=R₁＋R₂＋…

熱阻並聯 1/R_th=1/R_th1＋1/R_th2＋…

電阻並聯 1/R=1/R₁＋1/R₂＋…

2、熱阻：在熱路中，各種介質及接觸狀態，對熱量的傳遞表現出的不同阻礙作用——在熱路中產生溫度差,形成對熱路中兩點間指標性的評價。

符號——Rth 單位——℃/W。

• 穩態熱傳遞的熱阻計算: R_th= (T₁－T₂)/P

T₁——熱源溫度（無其他熱源）（℃)

T₂——導熱系統端點溫度 （℃)

• 熱路中材料熱阻的計算: Rth
  =L/(K·S)

L——材料厚度 （m)

S——傳熱接觸面積 （m²)

3、導熱率：是指當溫度垂直向下梯度為1℃/m時，單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。

符號——K or λ 單位—— W／m-K，

常用材料導熱率（20℃取上限值） W／m-K

銀

429

橡膠

Rubber

1. 0.26

純銅

401

灌封硅膠

TCS-260

1. 0.577

紫銅

T1～T4

397

氧化鋁陶瓷片

佳日豐泰

30

黃銅

30％Zn

109

絕緣布矽膠片

佳日豐泰

1. 1.6

純鋁

237

導熱石墨片

佳日豐泰

16垂直

鋁合金

1070

226

1900平面

鋁合金

1050

209

硅膠墊

佳日豐泰

1. 5.0

鋁合金

6063

201

矽膠套帽

佳日豐泰

1. 1.0

鋁合金

6061

160

相變基膜

佳日豐泰

1. 1.4

鋁合金

7075

130

矽硅膜

鑫鑫順源

1. 0.9

鐵

80

導熱膏

KDS-2

1. 0.84

不鏽鋼

17

空氣

1. 0.04

二、熱設計的目標

1、 確保任何元器件不超過其最大工作結溫（T_jmax）

• 推薦：器件選型時應達到如下標準民用等級：T_jmax≤150℃ 工業等級：T_jmax≤135℃
• 軍品等級：Tjmax
  ≤125℃ 航天等級：T_jmax≤105℃
• 以電路設計提供的，來自於器件手冊的參數為設計目標

2、 溫升限值

器件、內部環境、外殼：△T≤60℃

器件每升高2℃，可靠性下降10％；器件溫升為50℃時，壽命只有溫升25℃的1/6，電解電容溫升超過10℃，壽命下降1/2。

三、計算

1、 TO220封裝＋散熱器

• 結溫計算
• 熱路分析

熱傳遞通道：管芯j→功率外殼c→散熱器s→環境空氣a

注：因Rth_ca較大，忽略不影響計算，故可省略。

Rth_ja≈Rth_jc＋Rth_cs＋Rth_sa≈(T_結溫－T_環溫)/P

• 條件

Rth_jc——器件手冊查詢

Rth_cs——材料熱阻：R_th絕緣墊=L_{絕緣墊厚度}／（K

Rth_sa——散熱器熱阻曲線圖查詢

T_結溫——器件手冊查詢（待計算數值）

T_環溫——任務指標中的工作環境要求

P ——電路設計計算

• 計算

T_結溫＝（Rth_jc＋Rth_cs＋Rth_sa）·P＋T_環溫＜手冊推薦結溫

• 注：注意單位統一；判定結溫溫升限值是否符合。
• 散熱器熱阻計算（參見上圖）

散熱器的熱阻一般可在由廠家提供的熱阻曲線上標出，也可通過測試得出。

• 測試

在被測散熱器上安裝一發熱器（or組）件,固定一個風速（M/S），測量進、出風溫度，通過計算，得出該條件下的Rth_sa。設定一組風速，得出的不同Rth_sa值，繪製出該散熱器的熱阻曲線，不同長度的散熱器，可得到不同的曲線。

• 條件

T_進風——進口溫度

T_出風——相同風速下的出口溫度

P——電路設計計算的，發熱器（or組）件的功耗

• 計算Rth_sa＝（T_出風－T
  _進風）／P
• 注：亦可根據已有條件，如管芯的△T和功耗，計算出所需散熱器的熱阻上限，在熱阻曲線圖上選用足夠尺寸的散熱器。

2、共用同一散熱器（見下圖）

• 分析

對於散熱器而言，總的傳熱功耗為：

P_總＝P_j1＋P_j2

那麼散熱器的溫升為：

△T_散熱器＝Rth_sa·（P_j1＋P_j2）

每隻管子的傳熱路徑中，熱阻引起的溫升為

△T_j1＝（Rth_jc1＋Rth_cs1）·P_j1 △T_j2＝（Rth_jc2＋Rth_cs2）·P

熱路中，所有溫升之和加上環境溫度就是最大結溫，即

T_jmax1＝△T_j1＋△T_散熱器＋T_環境

T_jmax2＝△T_j2＋△T_散熱器＋T_環境

• 條件

P_j1——電路設計計算

P_j2——電路設計計算

Rth_jc1——器件手冊查詢

Rth_jc2——器件手冊查詢

Rth_cs1——材料熱阻：R_th絕緣墊=L_{絕緣墊厚度}／（K_絕緣墊·S_{絕緣墊接觸c的面積}）

Rth_cs2——材料熱阻：R_th絕緣墊=L_{絕緣墊厚度}／（K_絕緣墊·S_{絕緣墊接觸c的面積}）

Rth_sa——散熱器熱阻曲線圖查詢

T_環境——任務指標中的工作環境要求

• 計算

J1的最大結溫：T_jmax1＝（Rth_jc1＋Rth

J2的最大結溫：T_jmax2＝（Rth_jc2＋Rth_cs2）·P_j2＋Rth_sa·（P_j1＋P_j2）＋T_環境

• 注： 判定計算出的最大結溫，是否小於手冊推薦結溫；判定結溫溫升限值是否符合；注意計算時單位要統一。
• 經驗

1、熱路的分析和計算，由於影響因素較為複雜，可以忽略一些影響小的參數，來簡化計算，但一定要注意影響趨勢的方向，是有利於傳熱的，可以作為設計餘量儲備，由於影響小，所以不會影響經濟性。

2、還是因為影響因素複雜，理論計算是設計指導，結果一定以試驗結論判定，埋點測溫是最有效的驗證方式。

3、電源的熱設計是和電路設計密不可分的，實際情況往往因為空間問題，把散熱設計到最大化，也就剛剛滿足需求，而熱路的設計只能截止到外殼，外殼（或散熱器）的溫度怎麼辦？這就需要電路設計來降低功耗，甚至和客戶討論如何給電源散熱，這就需要我們是否能提的出所有計算數據。

4、關於餘量問題，建議只要滿足結溫和溫升限制，即可保證產品工作的可靠性。

5、熱設計的裝配工藝應符合相應的工藝規範，首先確保裝配的難度不大，其次考慮裝配的步驟減少，即適應批量的流水裝配作業。

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關鍵字: 電路設計 結溫 絕緣