现代技术散热器尺寸选择秘诀

来源：Digikey
作者：Shawn Wasserman

每一个工程师都希望其设计的电子产品成为当季热销，而非滥竽充数。设备中的每个电子元件都会发热，并造成热量聚集。温度过高会造成电路永性久损坏，并使心爱的设备变成“板砖”。

为了避免设计变“板砖”，工程师必须确保每个组件都在安全的温度下工作。传统上，散热器尺寸都是通过简单的计算来确定的。但这些简单计算的结果真的很理想吗？

传统上如何确定散热器尺寸

首先做一些假设和简化，然后通过以下计算公式来建立电子元件和大气之间的热传递模型：



这里，Q 是系统消耗的总功率。TA 是周围区域的温度，TJ 是元件的结的温度，Rϑ,T 是系统的总热阻。当不使用散热器时，唯一的界面就是组件与其周围环境之间形成的界面。因此，Rϑ,T 等于 Rϑ,JA ，即结与空气间的热阻。


STGF7NB60SL 是一款采用 TO-220FP 封装的 IGBT，额定电压为 600 V，电流为 15 A，功率为 25 W。（图片来源：STMicroelectronics）

假设所讨论的器件是 STGF7NB60SL，这是 STMicroelectronics 生产的 TO-220FP 封装 IGBT，额定电压为 600 V、电流为 15 A、功率为 25 W。根据其规格书，Rϑ,JA 为 62.5°C/W，最大工作温度 TJ,max 为 150°C。假设热耗散为 2 W，且由于受周围热源的影响，空气温度为 50°C，计算得出 TJ 为 175°C。这远远超出了元件的安全裕度，因此需要散热器。

除了散热器之外，系统还需要热界面材料 (TIM)。从微观上讲，器件和散热器的表面粗糙，存在缝隙。如果空气填充该间隙，将充当绝热体。TIM 是一种导热膏，可以用于缝隙填充。

下图所示为添加了散热器和 TIM 的情况。


在半导体外壳上安装的散热器。图中（左）的热流、温度和热阻可以建模为串联电阻网络（右）。（图片来源：Boyd（原 Aavid Thermalloy ）

要计算 Rϑ,T，需要将外壳、结、TIM 和散热器之间的所有单个热阻视为串联电阻。也就是说，将 Rϑ,JC、Rϑ,CS 和 Rϑ,SA 相加即可得出总电阻。如此，便可进行如下计算：



Rϑ,JC 很容易找到，因为该数值与 Rϑ,JA 位于同一张规格书中。根据规格书，Rϑ,JC 为 5°C/W。

假设系统选择了 Boyd 用于冷却 2.5 W @ 60°C TO-220 器件的 507302B00000G 散热器。根据规格书，自然对流耗散 2W 时，温度将升高 50°C。因此 Rϑ,SA = 50°C/2 W = 25°C/W。


507302B00000G 是一款铝制散热器，旨在冷却 2.5 W @ 60°C TO-220 器件。（图片来源：Boyd）

对于 TIM，考虑使用 Boyd 生产的导热硅胶化合物 Thermalcote。这种导热材料的热导率 (k) 为 0.765W/(m℃)。假设厚度为 1 mm (L)，可使用散热器的表面积 (A = 19.05 mm x 19.05 mm) 计算 Rϑ,CS。




Thermalcote，一种导热硅胶化合物。（图片来源：Boyd）

因此，将所有数值代入等式：



TJ 此时等于 117.2°C，远低于该设备的最高额定温度。因此，该散热器是维持器件正常工作的一个良好选择。但这是最优选择吗？

仿真可能是最佳选择

上述计算对于很多工程场景来说虽仍是不错的选择。然而，电子产品变得越来越轻、越小、越复杂、越强大、竞争越来越激烈。工程师因此需要优化商用设备及冷却方式，以降低成本，提高可靠性。此时，粗略计算是行不通的。

此外，这些计算使用了假设，且这些假设可能会随着电子产品体积的缩小而变得过时。例如，大气温度为 50°C，热量通过散热器均匀耗散。

最后，如果增加强制气流会发生什么情况？该模型没有考虑空气在密闭空间内如何流动或如何影响性能。

充分了解现代消费电子产品中的热传递过程，从而以最优方式确定散热器和风扇尺寸的最佳方法就是进行仿真。通过仿真，工程师将不再孤立地看待每个组件。他们可以仿真整个设备的热流。这使得他们能够更好地优化设计、散热器和风扇。为此，可使用一些常见的仿真软件，具体包括 Simcenter Flotherm、Ansys Icepak、Celsius Studio、Altair SimLab、SimScale 和 SOLIDWORKS Flow Simulation。如需详细了解可添加到这些仿真中的散热器，请单击此处。