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1、散热器的选型与计算散热器的选型与计算以 7805 为例说明问题 .设 I=350mA,Vin=12V, 则耗散功率 Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W按照TO-220封装的热阻B JA=54C/W,温升是132C ,设室温25C ,那 么将会达到7805的热保护点150C ,7805会断开输出.正确的设计方法是 :首先确定最高的环境温度，比如60 C ,查出7805的最高结温 TJMAX=125C ,那么允许的温升是65 °C .要求的热阻是65 °C/2.45W=26C /W.再查 7805 的热阻,TO-220 封装的热阻 B JA=54C /W, 均高于要
2、求值 , 都不能使用 , 所以都必须加散热片 , 资料里讲到加散热 片的时候，应该加上4C/W的壳到散热片的热阻.计算散热片应该具有的热阻也很简单, 与电阻的并联一样, 即54/x=26,x=50 C /W.其实这个值非常大，只要是个散热片即可满足.散热器的计算 :总热阻 RQj-a=(Tjmax-Ta)/PdTjmax : 芯组最大结温 150CTa : 环境温度 85CPd : 芯组最大功耗Pd入功率-输出功率=24 X 0.75+(-24) X (-0.25)-9.8 X 0.25 X 2=5.5C /W总热阻由两部分构成 , 其一是管芯到环境的热阻 RQj-a, 其中包括结 壳热阻RQ
3、j-C和管壳到环境的热阻RQC-a其二是散热器热阻RQd-a, 两者并联构成总热阻.管芯到环境的热阻经查手册知RQj-C=1.0RQC-a=36那么散热器热阻 RQd-a应64 散热器热阻RQd-a=(10/kd)1/2+650/AC其中k:导热率 铝为2.08d: 散热器厚度 cmA: 散热器面积 cm2C: 修正因子 取 1按现有散热器考虑,d=1.0A=17.6 x 7+17.6 x 1X 13算得 散热器热阻RQd-a=4.1C /W,散热器选择及散热计算 目前的电子产品主要采用贴片式封装器件， 但大功率器件及一些功率 模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上， 便于
4、散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算， 其目的是在确定 的散热条件下选择合适的散热器， 以保证器件或模块安全、 可靠地工 作。散热计算任何器件在工作时都有一定的损耗， 大部分的损耗变成热量。 小 功率器件损耗小， 无需散热装置。 而大功率器件损耗大， 若不采取散 热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。 因此必须加散热装置， 最常用的就是将功率器件安装在散热器上， 利 用散热器将热量散到周围空间， 必要时再加上散热风扇， 以一定的风 速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却 板，它有更好的散热效果。 散热计算就是在一定的工作条件下， 通过 计算来确定
5、合适的散热措施及散热器。 功率器件安装在散热器上。 它 的主要热流方向是由管芯传到器件的底部， 经散热器将热量散到周围 空间。若没有风扇以一定风速冷却， 这称为自然冷却或自然对流散热。热量在传递过程有一定热阻。 由器件管芯传到器件底部的热阻为RJC器件底部与散热器之间的热阻为RCS散热器将热量散到周围空间的热阻为RSA总的热阻RJA二"RJC+RCS+RSA若器件的最大功 率损耗为PD并已知器件允许的结温为 TJ、环境温度为TA,可以按 下式求出允许的总热阻 RJA。RJA< (TJ-TA)/PD则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻RSA为RSAC (T_J-T_AoverP
6、_D)-(RJC+RCS)出于为设计留有余地的考虑，一般设 TJ为125C。环境温度也要考 虑较坏的情况，一般设 TA=40C60C。RJC的大小与管芯的尺寸封装 结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。 RCS的大小与安装技 术及器件的封装有关。 如果器件采用导热油脂或导热垫后， 再与散热 器安装，其RCS典型值为0.10.2 C /W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其RCS可达1C W PD为实际的最大损耗功率，可 根据不同器件的工作条件计算而得。这样，RSA可以计算出来，根据计算的RSA直可选合适的散热器了。散热器简介小型散热器 （ 或称散热片 ） 由铝合金板料经冲压工艺及
7、表面处理 制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材， 再经机械加工及表面处 理制成。它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选 用。散热器一般是标准件， 也可提供型材， 由用户根据要求切割成一 定长度而制成非标准的散热器。 散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色 氧极化处理， 其目的是提高散热效率及绝缘性能。 在自然冷却下可提 高 10-15%，在通风冷却下可提高 3%，电泳涂漆可耐压 500800V。散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线， 并 且给出在不同散热条件下的不同热阻值。计算实例一功率运算放大器PA02（APEX公司产品）作低频功放，其电路如 图 1 所示。器件为
8、8 引脚 TO-3 金属外壳封装。器件工作条件如下 : 工作电压VS为18V;负载阻抗RL为4,工作频率直流条件下可到5kHz, 环境温度设为40 C，采用自然冷却。查PA02器件资料可知：静态电流IQ典型值为27mA最大值为 40mA器件的RJC（从管芯到外壳）典型值为2.4 C /W,最大值为2.6 C /W。器件的功耗为 PD：PD=PDQ+PDOUT式中PDQ为器件内部电路的功耗，PDOUT为输出功率的功耗。PDQ=IQ(VS+|-VS|), PDOUT二V2_S/4RL,代入上式PD=IQ(VS+|-VS|)+VA2_S/4RL=37mA(36V)+18V2/44=21.6W 式中静
9、态电流取 37mA。散热器热阻 RSA 计算:RSA <(T_J-T_AoverP_D)-(R_JC+R_CS)为留有余量，TJ设125 C, TA设为40 C, RJC取最大值 (RJC="2".6 C /W), RCS取 0.2 C/W, (PA02 直接安装在散热器上，中 间有导热油脂 ) 。将上述数据代入公式得RSA< 125 C -40 C over21.6W-(2.6 C /W+0.2 C /W) < 1.135 C /WHSO4在自然对流时热阻为0.95 C/W,可满足散热要求。注意事项1. 在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值, 而要根
10、据实际条件来计算；数据资料中的最大结温一般为150C，在设计中留有余地取125C，环境温度也不能取 25C(要考虑夏天及机箱的实际温 度)。2. 散热器的安装要考虑利于散热的方向, 并且要在机箱或机壳上 相应的位置开散热孔 (使冷空气从底部进入,热空气从顶部散出 )。3. 若器件的外壳为一电极,则安装面不绝缘 ( 与内部电路不绝 缘) 。安装时必须采用云母垫片来绝缘,以防止短路。4. 器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。5. 另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻， 可供 设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算， 并可
11、 采用相似的结构形状（截面积、周长）的型材组成的散热器来代用。6. 在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代 用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实 散热器选择是否合适，必要时做一些修正（如型材的长度尺寸或改变 型材的型号等）后才能作批量生产。散热器选型，散热面积理论计算及风扇选择。（2010-11-23 23:51:57）转载L3 标签： 杂谈散热器选择的计算方法一，各热参数定义：Rja总热阻，C /W；Rjc器件的内热阻，C /W；Rcs器件与散热器界面间的界面热阻，C /W;Rsa散热器热阻，C /W;Tj发热源器件内结温度，C;Tc发热源器件表面壳温
12、度，C;Ts散热器温度，C;Ta环境温度，C；Pc器件使用功率，W Tsa散热器温升，C；二，散热器选择：Rsa =(Tj-Ta) Pc - Rjc -Rcs式中：Rsa(散热器热阻)是选择散热器的主要依据。Tj 和 Rjc 是发热源器件提供的参数，Pc 是设计要求的参数，Rcs可从热设计专业书籍中查表，或采用Res我面接触材料厚度/ (接触面积 X 接触材料导热系数)。( 1) 计算总热阻 Rja： Rja= (Tjmax-Ta) Pc(2)计算散热器热阻Rsa或温升 Tsa： Rsa = Rja Rtj Rte Tsa=Rsax Pe( 3)确定散热器按照散热器的工作条件 (自然冷却或强迫
13、风冷) ，根据 Rsa或厶Tsa和Pe选择散热器，查所选散热器的散热曲线(Rsa曲线或 Tsa线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的热阻散 热器及其对应的风速，根据风速流经散热器截面核算流量及根据散热 器流阻曲线上风速对应的阻力压降，选择满足流量和压力工作点的风 扇。 2M/5。自卿对流 a IM/S050 !0020030030岡 2_ _ _ 一 » 尺度 L I mill散热器热阻曲线三，散热器尺寸设计：对于散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时， 可以按以下方法确定：按上述公式求出散热器温升 Tsa,然后计算散热器的综合换热系数a：a= 7.2 ® 1 &
14、#174; 2 ® 3 W (Tf-Ta) /20式中：® 1描写散热器L/b对a的影响，（L为散热器的长度，b为两肋片的间距）；9 2描写散热器h/b对a的影响，（h为散热器肋片的高度）；9 3描写散热器宽度尺寸 W增加时对a的影响；W （Tf-Ta） / 20描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对a的影响；以上参数可以查表得到。计算两肋片间的表面所散的功率 q0q0 = aXA Tfa x（ 2h+b）x L根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数 n, 计算散热功率Pc'单面肋片：Pc'= nq0双面肋片：Pc'= 2nq0（单面肋，简单的说，就
15、是一边带肋，一边是一个平面。利于在特定场合下的装配，例如在电源模块上。）若Pc'> Pc时则能满足要求。四，估算散热器表面积：由Q=HA( T1-T2)结合修正系数推得:S = 0.86W/( T*a)( 平方米 )式中 T散热器温度与周围环境温度(Ta)之差(C)；a( h)换热系数，是由空气的物理性质及空气流速决定的a的值可以表示为：a = Nu* 入 /L式中入 热电导率由空气的物理性质决定；L 散热器高度；N空气流速系数。Nu 值由下式决定Nu = 0.664* (V/V1F(1/2)*PrA(1/3)式中V动黏性系数，是空气的物理性质;V1 散热器表面的空气流速；Pr参
16、数(见下表)。温度t/ C 动黏性系数热电导率Pr0.1380.02070.72200.1560.02210.71400.1750.02340.71600.1960.02470.71800.2170.02600.701000.2300.02720.701200.2620.02850.70五，计算阻力压降：计算流经散热器阻力压降：在算出换热系数h(a)之后，根据预选的散热器表面的空气流速 V,计算流经散热器的空气阻力压降： P=f* (L/D) *(1/2)*( p V2)式中： P 沿程压力损失，Pa;空气平均流速， m/s；沿程阻力系数；p 空气密度，kg/m3;L 沿程长度， m；D 当量
17、直径，m （D=4散热器截面面积/截面周长）。六，计算流量： 计算流经散热器流量 Q=AV 式中Q- 流量A- 风量流经散热器截面积V- 风量流经散热器风速七，风扇选择：根据计算获得的Q和AP,选择风扇PQ曲线内包含Q与厶P点即可15H 1风扇PQ曲线I、H、皿三条曲线分别代表不同系统的特性曲线。 系统特性曲线与 风扇的特性曲线的交点就是该风扇的工作点， 推荐系统工作在C点, 低阻力工作点。芯片散热的热传导计算技术分类： 微处理器与DSP 消费电子设计| 2006-12-04来源：电子产品世界|作者：3M中国有限公司北京技术中心 方科式中：Z为导热材料的热阻抗，A为传热面积。芯片的工作温度T2
18、为：T2 = T1+PX R(6)式中：T1为空气温度；P为芯片的发热功率；R为热 传导过程的总热阻。芯片的热阻和功率可以从芯片和 散热器的技术规 格中获得，散热器的热阻可以从散热器的技术规格中得到， 从而可以 计算出芯片的工作温度T2。实例下面通过一个实例来计算芯片的工作温度。芯片的热阻为1.75 C/W,功率为5W最高工作温度为90C,散热器热阻为1.5 C /W,导热材料的热阻抗Z为5.8 C cm2/VV导热材料的传热面积为5cm2 周围环境温度为50C。导热材料理论热阻R4为：R4= Z/A = 5.8 ( C cm2/W)/5(cm2)=1.16 C/W(7)由于导热材料同芯片和散
19、热器之间不可能达到100%的结合，会存在一些空气间隙，因此导热材料的实际热阻要大于理论 热阻。假定导热材料同芯片和散热器之间的结合面积为总面积的 60%,则实际热阻R3为：R3 = R4/60%= 1.93 C /W(8)18总热阻 R为：R二"R1"+R2+R3=5.18C /W(9)芯片的工作温度 T2为：T2 = T1+PX R= 50 °C +(5WX 5.18 C/W) = 75.9 C(10)可见，芯片的实际工作温度75.9 C小于芯片的最高工 作温度90 C，处于安全工作状态。如果芯片的实际工作温度大于最高工作温度，那就需要重新选择散热性能更好的散热器， 增加散热面积，或者选择导热效 果更优异的导热材料，提高整体散热效果，从而保持芯片的实际工作 温度在允许范围以内。6