Su función es crear un área de disipación de calor más grande en el dispositivo de calentamiento y, al hacerlo, puede transferir calor de manera más efectiva hacia el entorno circundante. Mejorar la trayectoria térmica fuera del dispositivo puede reducir el aumento de temperatura en la conexión del dispositivo.
El propósito de este artículo es proporcionar una introducción de alto nivel al problema de seleccionar un disipador de calor y obtener datos térmicos de él. Aplicación del equipo y especificaciones proporcionadas por el proveedor del radiador.
¿El aparato necesita un radiador?
Para el propósito de este artículo, asumimos que la aplicación problemática es un transistor en un paquete TO-220 con pérdidas de conducción y conmutación iguales a 2.78W de consumo de energía. Además, la temperatura ambiente de funcionamiento no superará los 50 ° C. ¿Este transistor necesita un disipador de calor?
Figura 1: Vistas frontal y lateral de un paquete TO-220 típico con disipador de calor
Primero, es necesario ensamblar y digerir todas las características de resistencia térmica que pueden evitar que 2.78W se esparzan en el aire ambiente. Si no pueden dispersarse eficazmente, la temperatura de unión en el paquete TO-220 excederá los requisitos operativos recomendados, que generalmente es de 125 ° C para el silicio.
En circunstancias normales, el proveedor del transistor registrará cualquier resistencia térmica de unión-ambiente, que está representada por el símbolo RθJA y se mide en ° C / W. Para cada unidad de potencia (vatios) consumida en el dispositivo, esta unidad representa la cantidad en la que se espera que la temperatura de la unión aumente por encima de la temperatura ambiente alrededor del paquete TO-220.
Ponlo en contexto. Los proveedores de transistores han demostrado que la resistencia térmica de la unión al ambiente es de 62 ° C / W, y la disipación de potencia de 2.78 W en el paquete TO-220 aumentará la temperatura de la unión a 172 ° C por encima de la temperatura ambiente. ;
El valor calculado es 2,78 Wx62 ° C / W. Si se supone que la temperatura ambiente del dispositivo en el peor de los casos es 50 ° C, la temperatura de la unión alcanzará los 222 ° C y la temperatura calculada es 50 ° C + 172 ° C. Dado que esto supera con creces la temperatura nominal del silicio de 125 ° C, es probable que cause daños permanentes al transistor. Por lo tanto, es absolutamente necesario un radiador.
La conexión del disipador de calor a la aplicación reducirá significativamente la impedancia térmica de la unión al medio ambiente. En la siguiente etapa, determine qué tan baja se requiere la ruta de impedancia térmica para proporcionar un funcionamiento seguro y confiable.
Establecer ruta de impedancia térmica
Para determinar la ruta de resistencia térmica, comience con el aumento de temperatura máximo tolerable. Si la temperatura ambiente máxima de funcionamiento del dispositivo es 50 ° C, y hemos determinado que la unión de silicio debe mantenerse a 125 ° C o menos, el aumento de temperatura máximo permitido es 75 ° C; esto se calcula como 125 ° C -50 ° C.
El siguiente paso es calcular la impedancia térmica máxima tolerable entre la unión en sí y el aire ambiente. Si el aumento de temperatura máximo permitido es 75 ° C y la disipación de potencia en el paquete TO-220 es 2,78 W, entonces la impedancia de temperatura máxima permitida es 27 ° C / W; calculada como 75 ° C ÷ 2,78 W.
Finalmente, calcule todas las rutas de impedancia térmica desde la unión de silicio hasta el aire ambiente y confirme que su suma sea menor que la impedancia térmica máxima permitida; como se mencionó anteriormente, es 27 ° C / W.
Figura 2: Representación gráfica de la resistencia térmica que se debe calcular y agregar entre la unión y la unión El aire ambiente en una aplicación típica de TO-220.
En el gráfico de la Figura 2, se puede ver que la primera impedancia térmica requerida es "unión a carcasa", que está representada por el símbolo RθJ-C. Esto muestra lo fácil que es transferir calor desde la unión generadora de calor a la superficie del dispositivo, indicado como TO-220 en este ejemplo. Por lo general, la hoja de datos del proveedor enumerará esta impedancia y el valor de unión al entorno. Aquí, la clasificación de impedancia térmica supuesta de la caja de conexiones es de 0,5 ° C / W.
Representada por el símbolo RθCS, la segunda impedancia térmica requerida es "de caja a ranura", a es una medida de la facilidad con la que se transfiere el calor desde la carcasa del dispositivo a la superficie del disipador de calor. Dado que las dos superficies a veces tienen irregularidades, generalmente se recomienda utilizar un material de interfaz térmica (TIM o "compuesto térmico") entre la superficie de la carcasa del TO-220 y la base del disipador de calor. Desde un punto de vista térmico, están completamente comprometidos. La aplicación de TIM mejorará significativamente la transferencia de calor desde la superficie del TO-220 al disipador de calor, pero se debe considerar su impedancia térmica relacionada.
Figura 3: Un diagrama de superficie a superficie ampliado que muestra la necesidad de materiales de interfaz térmica (TIM)
Explicó el material de interfaz térmica
En términos generales, los TIM se caracterizan por su conductividad térmica, medida en vatios por metro-grado Celsius (W / (m ° C)) o vatios / metro-Kelvin (W / (mK)). En este ejemplo, Celsius y Kelvin son intercambiables porque ambos usan el mismo aumento de medición de temperatura, donde se calculan el aumento y la disminución de la temperatura; por ejemplo, un aumento de temperatura de 45 ° C es lo mismo que un aumento de temperatura de 45 K.
Dado que la impedancia del TIM depende de la relación de espesor (TIM), se incluye la unidad en metros. El espesor de toda el área (en metros) (el área cubierta por el TIM, en metros 2), obtiene 1 / m (calculado como m / m2 = 1 / metro). En este ejemplo, se aplica una capa delgada de TIM al área de la etiqueta metálica en la superficie de la carcasa del TO-220, con las siguientes propiedades específicas y detalles de aplicación:
Elija un receptor de calor
La última impedancia térmica requerida es "absorbida por el ambiente", que está representada por el símbolo RθSA. Este cálculo revela la facilidad con la que se transfiere el calor desde la parte inferior del radiador al aire ambiente circundante. El fabricante de componentes electrónicos CUI es un proveedor de radiadores y proporciona el cuadro que se muestra en la Figura 4. Demostrar cómo el calor se transfiere fácilmente desde el radiador al aire ambiente a través de diferentes cargas y condiciones de flujo de aire.
Figura 4: Un gráfico que muestra el aumento de temperatura de una superficie de montaje de radiador típica excede la temperatura ambiente
En este ejemplo, se asume que el equipo está funcionando en condiciones de convección natural sin ningún flujo de aire. Este gráfico se puede utilizar para calcular la impedancia térmica final de este disipador de calor en particular, que se absorbe a la temperatura ambiente. La cantidad por la cual la temperatura de la superficie se eleva por encima de la temperatura ambiente se divide por la cantidad de disipación de calor para obtener el resultado de la impedancia térmica en esa condición de funcionamiento particular. Aquí, el calor disperso es de 2,78 W, lo que hace que la temperatura de la superficie suba por encima de la temperatura ambiente de 53 ° C. Dividir 53 ° C por 2,78 W resultará en una resistencia térmica absorbida en el ambiente de 19,1 ° C / W.
En los cálculos anteriores, la impedancia máxima permitida entre la unión y el aire ambiente es de 27 ° C / W. Restando la impedancia de la unión a la caja (0.5 ° C / W) y la impedancia de la caja al absorbedor (0.45 ° C / W) da como resultado la tolerancia máxima del disipador de calor, que se calcula como 26.05 ° C / W; el resultado calculado es 27 ° C / W-0.5 ° C / W-0.45 ° C / W.
Para este ejemplo, bajo estos supuestos, la resistencia térmica es de 19,1 ° C / W. Este disipador de calor es mucho más bajo que la tolerancia de 26,05 ° C / W calculada anteriormente. Esto se traduce en una temperatura de unión de silicio más fría dentro del paquete TO-220 y un margen térmico más amplio en el diseño. Además, la temperatura máxima de la unión se puede aproximar sumando todas las impedancias térmicas juntas, luego multiplicándolas por los vatios consumidos en la unión y finalmente sumando el resultado a la temperatura ambiente máxima, como se muestra a continuación:
En conclusión
Los disipadores de calor tienen un papel importante en el diseño de circuitos porque proporcionan una forma eficaz de transferir calor al aire ambiente y lejos de los equipos electrónicos. Al identificar la temperatura más alta del entorno circundante y la energía consumida en el dispositivo, la selección del radiador se puede optimizar; no es ni demasiado pequeña ni causa desgaste, ni demasiado grande para desperdiciar dinero. Además, considere el importante papel del TIM en la transferencia de calor de manera efectiva y uniforme entre las dos superficies.
Finalmente, una vez definidos los parámetros de la aplicación (temperatura ambiente, consumo de energía e impedancia térmica), revise la cartera de productos de disipadores de calor a nivel de placa de CUI para determinar el modelo que se adapta a las necesidades de refrigeración del proyecto.
