So dimensionieren Sie einen Kühlkörper richtig: Mathematik zum Wärmewiderstand, die jeder Ingenieur kennen sollte

Warum die Auswahl eines Kühlkörpers mehr ist als nur „Wählen Sie einen großen aus“

Jede Leistungskomponente — Spannungsregler, MOSFETs, HF-Leistungsverstärker, LED-Treiber — erzeugt Wärme. Und jede dieser Komponenten hat eine maximale Sperrschichttemperatur („MATHINLINE_7“), bei deren Überschreitung die Zuverlässigkeit ins Stocken gerät. Die Aufgabe eines Kühlkörpers besteht darin, die Sperrschichttemperatur sicher unter diesem Grenzwert zu halten. Die Wahl des richtigen Kühlkörpers erfordert jedoch ein Verständnis des gesamten Wärmepfads von der Siliziumdüse zur Umgebungsluft.

Allzu oft überschreiten Ingenieure entweder die Spezifikationen eines riesigen Kühlkörpers (wodurch Kosten, Gewicht und Platz auf der Platine verschwendet werden) oder sie unterbieten die Spezifikationen und entdecken das Problem bei thermischen Tests — oder schlimmer noch, vor Ort. Die Mathematik ist nicht schwer; du musst sie nur machen. Genau dafür ist der [Heatsink Selection Calculator öffnen] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) gebaut.

Die Wärmewiderstandskette

Die Wärme fließt vom Halbleiterübergang durch eine Reihe von Wärmewiderständen, analog zu Widerständen in einem seriellen Stromkreis. Der gesamte Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zur Umgebung beträgt:

„MATHBLOCK_0“

Wo:

• „MATHINLINE_8“ — Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zum Gehäuse (aus dem Datenblatt)
• „MATHINLINE_9“ — Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper (abhängig von der Montagemethode und dem Schnittstellenmaterial)
• „MATHINLINE_10“ — Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Umgebung (die Spezifikation, nach der Sie suchen)

Die grundlegende thermische Gleichung lautet:

„MATHBLOCK_1“

Umordnen, um den maximal zulässigen Wärmewiderstand des Kühlkörpers zu ermitteln:

„MATHBLOCK_2“

Dies ist die Kernberechnung. Wenn Sie keinen Kühlkörper mit „MATHINLINE_11“ auf oder unter diesem Wert finden, müssen Sie die Verlustleistung reduzieren, die Umgebungstemperatur senken, das Schnittstellenmaterial verbessern oder einen erzwungenen Luftstrom hinzufügen.

Funktioniertes Beispiel: Linearer Regler mit 5 W Verlustleistung

Nehmen wir an, Sie verwenden einen TO-220-Linearregler, der bei 700 mA 12 V auf 5 V absenkt. Die Verlustleistung ist:

„MATHBLOCK_3“

Aus dem Datenblatt:

• „MATHINLINE_12“ (Standardbewertung)
• „MATHINLINE_13“

Sie verwenden ein Silikon-Wärmeleitpad als Schnittstelle, also „MATHINLINE_14“. Die schlimmste Umgebungstemperatur im Gehäuse ist „MATHINLINE_15“.

In die Gleichung einbauen:

„MATHBLOCK_4“

Sie benötigen also einen Kühlkörper mit der Nennleistung „MATHINLINE_16“ oder niedriger. Ein TO-220-Standardkühlkörper aus gestanztem Aluminium im Bereich von 8—10 °C/W würde funktionieren und Ihnen einen gewissen Spielraum bieten.

Lassen Sie uns nun die tatsächliche Sperrschichttemperatur mit einem Kühlkörper mit der Nennleistung „MATHINLINE_17“ überprüfen:

„MATHBLOCK_5“

Das ergibt einen thermischen Spielraum von:

„MATHBLOCK_6“

Reicht ein Spielraum von 7,5 °C aus? Für ein günstiges kommerzielles Umfeld wahrscheinlich ja. Für ein Design, das Vibrationen, Höhenlagen oder gelegentliche Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, würden Sie mehr wollen — und Sie könnten auf „MATHINLINE_18“ herabstufen, was einen deutlich besseren Kühlkörper oder eine Designänderung erfordern würde.

Grundlegendes zu den Optionen für die Temperaturbewertung

Der Rechner bietet drei allgemeine Grenzwerte für die Sperrschichttemperatur:

• 125 °C (Standard) — Die gängigste Bewertung für Teile in Handels- und Industriequalität. Dies ist der Standardstartpunkt für die meisten Konstruktionen.
• 150 °C (hohe Temperatur) — Wird bei Automobilteilen und einigen militärischen Teilen gefunden. Das gibt Ihnen mehr Spielraum bei der Wärmeabgabe, aber verwenden Sie diese Zahl nur, wenn Ihr spezielles Teil dafür ausgelegt ist.
• 100 °C (gemindert) — Eine konservative technische Wahl. In vielen Zuverlässigkeitsrichtlinien (einschließlich MIL-HDBK-217 und Telcordia) wird empfohlen, die Sperrschichttemperatur um 25 °C oder mehr herabzusetzen. Bei kühlerem Betrieb wird die MTBF deutlich verbessert — als grobe Faustregel gilt, dass jede Verringerung der Sperrschichttemperatur um 10 °C die Lebensdauer der Komponente verdoppeln kann.

Die Wahl des richtigen „MATHINLINE_19“ ist eine Konstruktionsentscheidung, die von Ihren Zuverlässigkeitsanforderungen abhängt, nicht nur vom absoluten Maximum im Datenblatt.

Häufige Fallstricke

„ MATHINLINE_20“ wird ignoriert. Die Schnittstelle zwischen dem Komponentengehäuse und dem Kühlkörper hat keinen Widerstand von Null. Ein bloßer Metall-Metall-Kontakt ohne Wärmeleitpaste kann bei einem TO-220 eine Temperatur von 1,0—2,0 °C/W haben. Wärmeleitpaste reduziert diesen Wert auf 0,3—0,5 °C/W, und ein trockenes Wärmeleitpad kann 0,5—1,0 °C/W haben. Berücksichtigen Sie dies immer. Verwenden Sie „MATHINLINE_21“ für Freiluftbetrieb anstelle von „MATHINLINE_22“ . Bei der Angabe „MATHINLINE_23“ auf einem Datenblatt wird davon ausgegangen, dass kein Kühlkörper und eine bestimmte Testplatine vorhanden sind. Sie ist für Kühlkörperberechnungen nutzlos — verwenden Sie immer „MATHINLINE_24“.

Vergessen Sie, dass die Umgebungstemperatur nicht 25 °C ist. Die Datenblätter werden bei 25 °C getestet. Ihr Gehäuse kann an einem Sommertag, wenn andere Komponenten in der Nähe Wärme erzeugen, 50—70 °C haben. Entwerfen Sie das Design für Ihre tatsächliche Worst-Case-Umgebung. Vernachlässigung des Luftstroms. Die Nennwerte „MATHINLINE_25“ des Kühlkörpers werden in der Regel für natürliche Konvektion angegeben. Selbst wenn ein leichter erzwungener Luftstrom (1—2 m/s) hinzukommt, kann „MATHINLINE_26“ halbiert werden. Wenn Ihr Design einen Lüfter beinhaltet, stellen Sie sicher, dass Sie die richtige Nennkurve für den Kühlkörper verwenden.

Wenn die Zahlen nicht funktionieren

Manchmal ist der erforderliche Wert für „MATHINLINE_27“ sehr niedrig — sagen wir, unter 2 °C/W — und kein vernünftig dimensionierter Kühlkörper kann diesen Wert bei natürlicher Konvektion erreichen. Zu diesem Zeitpunkt stehen Ihnen folgende Optionen zur Verfügung:

1. Fügen Sie einen erzwungenen Luftstrom hinzu, um die Kühlkörperleistung drastisch zu verbessern.
2. Reduzieren Sie die Verlustleistung — schalten Sie auf einen Schaltregler um, verwenden Sie einen MOSFET der unteren Stufe „MATHINLINE_28“ oder entwerfen Sie die Schaltung neu.
3. Verteilen Sie die Wärme auf mehrere Geräte oder eine größere Kupferfläche auf der Leiterplatte.
4. Verwenden Sie ein höher bewertetes Teil mit einem niedrigeren „MATHINLINE_29“ oder einem höheren „MATHINLINE_30“.

Der Rechner macht es einfach, schnell mit diesen Kompromissen zu spielen.

Versuch es

Geben Sie Ihre tatsächlichen Werte für Verlustleistung, Umgebungstemperatur und Wärmewiderstand ein und sehen Sie sofort, ob die Wahl Ihres Kühlkörpers ausreichend Spielraum bietet — oder ob Sie das Design überdenken müssen. [Öffnen Sie den Kühlkörper-Auswahlrechner] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) und rechnen Sie die Zahlen ab, bevor Sie Ihren nächsten Prototyp testen. Das dauert 30 Sekunden und kann dir einen erneuten Dreh auf dem Board ersparen.