散熱器的選型與計算

1、散熱器的選型與計算 以7805為例說明問題 設 I二350mA, Vin二 12V,則耗散功率 Pd二(12V-5V) *0. 35A二2 45W 按照T0-220封裝的熱阻B JA二54 C /W,溫升是132 C,設室溫25 C ,那么 將會達到7805的熱保護點150 C , 7805會斷開輸出. 正確的設計方法是： 首先確定最高的環(huán)境溫度，比如60 C ,查岀7805的最高結溫 TJMAX=125 C ,那么允許的溫升是65 C要求的熱阻是65 C /2. 45W=26 C /W.再查 7805 的熱阻，T0-220 封裝的熱阻 B JA二54 C /W,均 高于要求值，都不能使用，所

2、以都必須加散熱片，資料里講到加散熱片的時 候，應該加上4C /W的殼到散熱片的熱阻 計算散熱片應該具有的熱阻也很簡單，與電阻的并聯(lián)一 樣，即54/x=26, x=50 C /W.其實這個值非常大，只要是個散熱片即可滿 足. 散熱器的計算： 總熱阻 RQj-a= (Tjmax-T a) /Pd Tjmax :芯組最大結溫150 C Ta :環(huán)境溫度85C Pd :芯組最大功耗 Pd=輸入功率-輸出功率 = 24 X0. 75+(-24) x (-0 25)-9 8 X0. 25 X2 =5. 5 C /W 總熱阻由兩部分構成，其一是管芯到環(huán)境的熱阻RQj-a,其中包括結殼熱阻 RQj-C和管殼到

3、環(huán)境的熱阻RQC-a.其二是散熱器熱阻RQd-a,兩者并聯(lián)構成 總熱阻管芯到環(huán)境的熱阻經查手冊知RQj-C=l. 0 RQC-a=36那 么散熱 器熱阻RQd-a應64.散熱器 熱 阻RQd- a=(10/kd)l/2+650/AC 其中k：導熱率 鋁為2.08 d:散熱器厚度cm A:散熱器面積cm2 C:修正因子取1 按現(xiàn)有散熱器考慮，d=l. 0A二17. 6 X7+17. 6 XI X13 算得散熱器熱阻RQd-a=4. 1 C /W, 散熱器選擇及散熱計算目前的電子產品主要采用貼片 式封裝器件，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 是可方便地安裝在散熱器上，便于散

4、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散熱器，以保證器件或模塊安 全、可靠地工作。 散熱計算 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。

5、 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。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為 RJC,器件底部與散熱器之間的熱阻為RCS,散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為 RSA,總的熱阻RJA二RJC+RCS+RSA。若器件的最 大功率損耗為PD,并已知 器件允許的結溫為TJ、環(huán)境溫度為TA,可以按下式求出允許的總熱阻RJAo RJAW(TJ-TA)/PD 則計算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻RSA為 RSAW(T_J-T_AoverP_D)- (RJC+RCS) 出于為

6、設計留有余地的考慮，一般設TJ為125 Co環(huán)境溫度也要考 慮較壞的情 況，一般設TA=40 C 60 Co RJC的大小與管芯的尺寸封裝結構有關，一般可以 從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。RCS的大小與安裝技術及器件的封裝有關。如果器 件采用導熱油脂或導熱墊后，再與散熱器安裝，其RCS典型值為0. 10. 2 C /W;若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣，則其RCS可達C /Wo 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，RSA可以 計算出來，根據(jù)計算的RSA值可選合適的散熱器了。 散熱器簡介 小型散熱器(或稱散熱片)由鋁合金板料經沖壓工藝及表面處理制成， 而大型散熱器

7、由鋁合金擠壓形成型材，再經機械加工及表面處 理制成。它們有 各種形狀及尺寸供不同器件安裝及不同功耗的器件選用。散熱器一般是標準件， 也可提供型材，由用戶根據(jù)要求切割成一定長度而制成非標準的散熱器。散熱 器的表面處理有電泳涂漆或黑色 氧極化處理，其目的是提高散熱效率及絕緣性 能。在自然冷卻下可提高10-15% ,在通風冷卻下可提高3% ,電泳涂漆可耐 壓 500800V o 散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關曲線，并且給出在 不同散熱條件下的不同熱阻值。 計算實例 一功率運算放大器PA02 (APEX公司產品)作低頻功放，其電路 如圖1 所示。器件為8引腳T0-3金屬外殼封裝。器件

8、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)境溫度設為40 C,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RJC (從管芯到外殼)典型值為2.4 C /W,最大值為2.6 C /W。 器件的功耗為PD: PD二PDQ+PD0UT 式中PDQ為器件內部電路的功耗，PDOUT為輸出功率的功耗 PDQ=IQ(VS+|-VS|) , PDOUT 二廠2_S/4RL ,代入上式 PD二IQ (VS+|-VS ) +VA2_S/4RL=37mA(36V)+18V2/44二21 6 w 式中靜態(tài)電流取37m

9、A o 散熱器熱阻RSA計算：RSA （T_J -T_A over P_ D） - （R_ JC +R_ CS） 為留有余量，TJ設125 C, TA設為40 C, RJC取最大值（RJC=2. 6 C /W）, RCS取0. 2 C /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 RSA 125 C -40 C over 21. 6W - （2. 6 C /W+0. 2 C /W） Pc時則能滿足要求。 四，估算散熱器表面積： 由Q二HA ( T1-T2 )結合修正系數(shù)推得： S = 0. 86W/( T*a) (平方米) 式中 4散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度(T

10、a)之差(C)； ,(h )換熱系數(shù)，是由空氣的物理性質及空氣流速決定的 a的值可以表示為： a 二 Nu* L 式中入 熱電導率由空氣的物理性質決定； L散熱器高度； Nu空氣流速系數(shù)。 Nu值由下式決定 Nu = 0.664* (V/V1)a(1/2)*PF(l/3) 式中V動黏性系數(shù)，是空氣的物理性質； VI 散熱器表面的空氣流速； Pr-參數(shù)(見下表)。 溫度t c 動黏性系數(shù) 熱電導率 Pr 0 0. 138 0. 0207 0. 72 20 0. 156 0. 0221 0. 71 40 0. 175 0. 0234 0. 71 60 0. 196 0. 0247 0. 71 80

11、 0. 217 0. 0260 0. 70 100 0. 230 0. 0272 0. 70 120 0. 262 0. 0285 0. 70 五，計算阻力壓降： 計算流經散熱器阻力壓降: 在算出換熱系數(shù)h (a )之后， 根據(jù)預選的散熱器表 面的空氣流速V,計算流經散熱器的空氣阻力壓降: P=f* (L/D) *(1/2)*( pV2) 式中：AP沿程壓力損失，Pa； V空氣平均流速，m/s ； f 沿程阻力系數(shù)； P 空氣密度，kg/m3 ； L 沿程長度，m； D 當量直徑， m o （ D二4散熱器截面面積 /截面周長）。 六，計算流量： 計算流經散熱器流量 Q=AV 式中 Q-一流量

12、 A風量流經散熱器截面積 V-風量流經散熱器風速 七，風扇選擇: 根據(jù)計算獲得的Q和仲，選擇風扇PQ曲線內包含Q與點即可 風扇PQ曲線 I、H、皿三條曲線分別代表不同系統(tǒng)的特性曲線。系統(tǒng)特性曲線與 風扇的特性 曲線的交點就是該風扇的工作點，推薦系統(tǒng)工作在C點，低阻力工作點。 芯片散熱的熱傳導計算 技術分類：微處理器與DSP消費電子設計丨2006-12-04 來源：電子產品世界丨作者：3M中國有限公司北京技術中心方科 式中：z為導熱材料的熱阻抗，A為傳熱面積。芯片 的工作溫度T2為： T2 = Tl+P XR 式中：T1為空氣溫度；P為芯片的發(fā)熱功率；R為熱傳導過程 的總熱阻。芯片的熱阻和功率可

13、以從芯片和散熱器的技術規(guī)格中獲得，散熱器的 熱阻可以從散熱器的技術規(guī)格中得到，從而可以 計算出芯片的工作溫度T2。 實例 下面通過一個實例來計算芯片的工作溫度。芯片的熱 阻為1.75 CW,功率為5W,最高工作溫度為90 C,散熱器熱阻為 1.5 C %,導熱材料的熱阻抗Z為58 C cm2/W，導熱材料的傳熱面 積為 5cm2,周圍環(huán)境溫度為50 Co導熱材料理論熱阻R4為： R4 = Z/A = 5. 8 (C cm2/W) /5(cm2)=l. 16 C /W(7) 由于導熱材料同芯片和散熱器之間不可能達到100 % 的結合，會存在一些空氣間隙，因此導熱材料的實際熱阻要大于理論 熱阻。假定 導熱材料同芯片和散熱器之間的結合面積為總面積的 60 %,則實際熱阻R3為： R3 = R4/60% = 1. 93 C /W 總熱阻 R 為：R二Rl+R2+R3二5. 18 C /W(9) 芯片的工作溫度T2為：T2 = Tl+P XR= 50 C +(