傳統(tǒng)和現(xiàn)有的散熱器尺寸確定方法

作者： Shawn Wasserman

每一個工程師都希望其設(shè)計的電子產(chǎn)品成為當(dāng)季熱銷，而非濫竽充數(shù)。設(shè)備中的每個電子元件都會發(fā)熱，并造成熱量聚集。溫度過高會造成電路永性久損壞，并使心愛的設(shè)備變成“板磚”。

為了避免設(shè)計變“板磚”，工程師必須確保每個組件都在安全的溫度下工作。傳統(tǒng)上，散熱器尺寸都是通過簡單的計算來確定的。但這些簡單計算的結(jié)果真的很理想嗎？

傳統(tǒng)上如何確定散熱器尺寸

首先做一些假設(shè)和簡化，然后通過以下計算公式來建立電子元件和大氣之間的熱傳遞模型：

這里，Q 是系統(tǒng)消耗的總功率。TA 是周圍區(qū)域的溫度，TJ 是元件的結(jié)的溫度，R?,T 是系統(tǒng)的總熱阻。當(dāng)不使用散熱器時，唯一的界面就是組件與其周圍環(huán)境之間形成的界面。因此，R?,T 等于 R?,JA ，即結(jié)與空氣間的熱阻。

[STGF7NB60SL] 是一款采用 TO-220FP 封裝的 IGBT，額定電壓為 600 V，電流為 15 A，功率為 25 W。（圖片來源：STMicroelectronics）

假設(shè)所討論的器件是 STGF7NB60SL，這是 [STMicroelectronics] 生產(chǎn)的 TO-220FP 封裝 IGBT，額定電壓為 600 V、電流為 15 A、功率為 25 W。根據(jù)其[規(guī)格書] ，R?,JA 為 62.5°C/W，最大工作溫度 TJ,max 為 150°C。假設(shè)熱耗散為 2 W，且由于受周圍熱源的影響，空氣溫度為 50°C，計算得出 TJ 為 175°C。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了元件的安全裕度，因此需要散熱器。

除了散熱器之外，系統(tǒng)還需要熱界面材料 (TIM)。從微觀上講，器件和散熱器的表面粗糙，存在縫隙。如果空氣填充該間隙，將充當(dāng)絕熱體。TIM 是一種導(dǎo)熱膏，可以用于縫隙填充。

下圖所示為添加了散熱器和 TIM 的情況。

在半導(dǎo)體外殼上安裝的散熱器。圖中（左）的熱流、溫度和熱阻可以建模為串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)（右）。（圖片來源：Boyd（原 [Aavid Thermalloy] ）

要計算 R ?,T， 需要將外殼、結(jié)、TIM 和散熱器之間的所有單個熱阻視為串聯(lián)電阻。也就是說，將 R ?,JC 、R?,CS 和 R?,SA 相加即可得出總電阻。如此，便可進(jìn)行如下計算：

R?,JC 很容易找到，因?yàn)樵摂?shù)值與 R?,JA 位于同一張規(guī)格書中。根據(jù)規(guī)格書，R?,JC 為 5°C/W。

假設(shè)系統(tǒng)選擇了 Boyd 用于冷卻 2.5 W @ 60°C TO-220 器件的 [507302B00000G] 散熱器。根據(jù)規(guī)格書，自然對流耗散 2W 時，溫度將升高 50°C。因此 R?,SA = 50°C/2 W = 25°C/W。

507302B00000G 是一款鋁制散熱器，旨在冷卻 2.5 W @ 60°C TO-220 器件。（圖片來源：Boyd）

對于 TIM，考慮使用 Boyd 生產(chǎn)的導(dǎo)熱硅膠化合物 Thermalcote。這種導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率 (k) 為 0.765W/(m℃)。假設(shè)厚度為 1 mm (L)，可使用散熱器的表面積 (A = 19.05 mm x 19.05 mm) 計算 R ?,CS 。

Thermalcote，一種導(dǎo)熱硅膠化合物。（圖片來源：Boyd）

因此，將所有數(shù)值代入等式：

TJ 此時等于 117.2°C，遠(yuǎn)低于該設(shè)備的最高額定溫度。因此，該散熱器是維持器件正常工作的一個良好選擇。但這是最優(yōu)選擇嗎？

仿真可能是最佳選擇

上述計算對于很多工程場景來說雖仍是不錯的選擇。然而，電子產(chǎn)品變得越來越輕、越小、越復(fù)雜、越強(qiáng)大、競爭越來越激烈。工程師因此需要優(yōu)化商用設(shè)備及冷卻方式，以降低成本，提高可靠性。此時，粗略計算是行不通的。

此外，這些計算使用了假設(shè)，且這些假設(shè)可能會隨著電子產(chǎn)品體積的縮小而變得過時。例如，大氣溫度為 50°C，熱量通過散熱器均勻耗散。

最后，如果增加強(qiáng)制氣流會發(fā)生什么情況？該模型沒有考慮空氣在密閉空間內(nèi)如何流動或如何影響性能。

充分了解現(xiàn)代消費(fèi)電子產(chǎn)品中的熱傳遞過程，從而以最優(yōu)方式確定散熱器和風(fēng)扇尺寸的最佳方法就是進(jìn)行仿真。通過仿真，工程師將不再孤立地看待每個組件。他們可以仿真整個設(shè)備的熱流。這使得他們能夠更好地優(yōu)化設(shè)計、散熱器和風(fēng)扇。為此，可使用一些常見的仿真軟件，具體包括 Simcenter Flotherm、Ansys Icepak、Celsius Studio、Altair SimLab、SimScale 和 SOLIDWORKS Flow Simulation。

審核編輯 黃宇