散热器设计的基本计算

 一、概念

 

1、热路：由热源出发，向外传播热量的路径。在每个路径上，必定经过一些不同的介质，热路中任何两点之间的温度差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻，就像电路中的欧姆定律，与电路等效关系如下。

热路	电路
热耗 P （W）	电流 VabI （A）
温差△T=T1－T2 （℃）	电压 Vab=Va－Vb （V）
热阻 Rth=△T/P （℃/ W）	电阻 R=Vab/I （Ω）
热阻串联 Rth=Rth1＋Rth2＋…	电阻串联 R=R1＋R2＋…
热阻并联 1/Rth=1/Rth1＋1/Rth2＋…	电阻并联 1/R=1/R1＋1/R2＋…

2、热阻：在热路中，各种介质及接触状态，对热量的传递表现出的不同阻碍作用——在热路中产生温度差,形成对热路中两点间指标性的评价。

符号——Rth          单位——℃/W。

• 稳态热传递的热阻计算:  R_th= (T₁－T₂)/P

T₁——热源温度（无其他热源）（℃)

T₂——导热系统端点温度  （℃)

• 热路中材料热阻的计算:  R_th=L/(K·S)

L——材料厚度 （m)

S——传热接触面积 （m²)

3、导热率：是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。

符号——K or λ         单位—— W／m-K，

常用材料导热率（20℃取上限值）         W／m-K
银		429	橡胶	Rubber	0.26
纯铜		401	灌封硅胶	TCS-260	0.577
紫铜	T1～T4	397	氧化铝陶瓷片	佳日丰泰	30
黄铜	30％Zn	109	绝缘布矽胶片	佳日丰泰	1.6
纯铝		237	导热石墨片	佳日丰泰	16垂直
铝合金	1070	226			1900平面
铝合金	1050	209	硅胶垫	佳日丰泰	5.0
铝合金	6063	201	矽胶套帽	佳日丰泰	1.0
铝合金	6061	160	相变基膜	佳日丰泰	1.4
铝合金	7075	130	矽硅膜	鑫鑫顺源	0.9
铁		80	导热膏	KDS-2	0.84
不锈钢		17	空气		0.04

 

 

二、热设计的目标

1、  确保任何元器件不超过其最大工作结温（T_jmax）

• 推荐：器件选型时应达到如下标准民用等级：T_jmax≤150℃       工业等级：T_jmax≤135℃

• 军品等级：T_jmax≤125℃       航天等级：T_jmax≤105℃

• 以电路设计提供的，来自于器件手册的参数为设计目标

2、  温升限值

器件、内部环境、外壳：△T≤60℃

器件每升高2℃，可靠性下降10％；器件温升为50℃时，寿命只有温升25℃的1/6，电解电容温升超过10℃，寿命下降1/2。

三、计算

1、  TO220封装＋散热器

• 结温计算

• 热路分析

热传递通道：管芯j→功率外壳c→散热器s→环境空气a

注：因Rth_ca较大，忽略不影响计算，故可省略。

Rth_ja≈Rth_jc＋Rth_cs＋Rth_sa≈(T_结温－T_环温)/P

• 条件

Rth_jc——器件手册查询

Rth_cs——材料热阻：R_th绝缘垫=L_{绝缘垫厚度}／（K_绝缘垫·S_{绝缘垫接触c的面积}）

Rth_sa——散热器热阻曲线图查询

T_结温——器件手册查询（待计算数值）

T_环温——任务指标中的工作环境要求

P ——电路设计计算

• 计算

T_结温＝（Rth_jc＋Rth_cs＋Rth_sa）·P＋T_环温＜手册推荐结温

• 注：注意单位统一；判定结温温升限值是否符合。

• 散热器热阻计算（参见上图）

散热器的热阻一般可在由厂家提供的热阻曲线上标出，也可通过测试得出。

• 测试

在被测散热器上安装一发热器（or组）件,固定一个风速（M/S），测量进、出风温度，通过计算，得出该条件下的Rth_sa。设定一组风速，得出的不同Rth_sa值，绘制出该散热器的热阻曲线，不同长度的散热器，可得到不同的曲线。

• 条件

T_进风——进口温度

T_出风——相同风速下的出口温度

P——电路设计计算的，发热器（or组）件的功耗

• 计算Rth_sa＝（T_出风－T_进风）／P

•  注：亦可根据已有条件，如管芯的△T和功耗，计算出所需散热器的热阻上限，在热阻曲线图上选用足够尺寸的散热器。

2、共用同一散热器（见下图）

• 分析

对于散热器而言，总的传热功耗为：

P_总＝P_j1＋P_j2

那么散热器的温升为：

       △T_散热器＝Rth_sa·（P_j1＋P_j2）

每只管子的传热路径中，热阻引起的温升为

△T_j1＝（Rth_jc1＋Rth_cs1）·P_j1      △T_j2＝（Rth_jc2＋Rth_cs2）·P_j2

热路中，所有温升之和加上环境温度就是最大结温，即

 T_jmax1＝△T_j1＋△T_散热器＋T_环境    

T_jmax2＝△T_j2＋△T_散热器＋T_环境

• 条件

P_j1——电路设计计算

P_j2——电路设计计算

Rth_jc1——器件手册查询

Rth_jc2——器件手册查询

Rth_cs1——材料热阻：R_th绝缘垫=L_{绝缘垫厚度}／（K_绝缘垫·S_{绝缘垫接触c的面积}）

Rth_cs2——材料热阻：R_th绝缘垫=L_{绝缘垫厚度}／（K_绝缘垫·S_{绝缘垫接触c的面积}）

Rth_sa——散热器热阻曲线图查询

T_环境——任务指标中的工作环境要求

• 计算

J1的最大结温：T_jmax1＝（Rth_jc1＋Rth_cs1）·P_j1＋Rth_sa·（P_j1＋P_j2）＋T_环境

J2的最大结温：T_jmax2＝（Rth_jc2＋Rth_cs2）·P_j2＋Rth_sa·（P_j1＋P_j2）＋T_环境

• 注： 判定计算出的最大结温，是否小于手册推荐结温；判定结温温升限值是否符合；注意计算时单位要统一。

• 经验

1、热路的分析和计算，由于影响因素较为复杂，可以忽略一些影响小的参数，来简化计算，但一定要注意影响趋势的方向，是有利于传热的，可以作为设计余量储备，由于影响小，所以不会影响经济性。

2、还是因为影响因素复杂，理论计算是设计指导，结果一定以试验结论判定，埋点测温是最有效的验证方式。

3、电源的热设计是和电路设计密不可分的，实际情况往往因为空间问题，把散热设计到最大化，也就刚刚满足需求，而热路的设计只能截止到外壳，外壳（或散热器）的温度怎么办？这就需要电路设计来降低功耗，甚至和客户讨论如何给电源散热，这就需要我们是否能提的出所有计算数据。

4、关于余量问题，建议只要满足结温和温升限制，即可保证产品工作的可靠性。

5、热设计的装配工艺应符合相应的工艺规范，首先确保装配的难度不大，其次考虑装配的步骤减少，即适应批量的流水装配作业。