Auswahlhilfe für Kühlkörper: Berechnung des Wärmewiderstands und Größe eines Kühlkörpers

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

Jede Leistungskomponente erzeugt Wärme. Spannungsregler, MOSFETs, HF-Leistungsverstärker, LED-Treiber — sie alle wandeln elektrische Energie in Wärmeenergie um, und diese Wärme muss irgendwohin. Für jedes dieser Bauteile ist in seinem Datenblatt eine maximale Sperrschichttemperatur ($T_{J(max)}$) eingeprägt, und wenn Sie diese überschreiten, ist die Zuverlässigkeit geradezu explodiert. Die Aufgabe des Kühlkörpers ist einfach: Halten Sie die Sperrschichttemperatur sicher unter dem Grenzwert. Aber hier ist die Sache: Die Wahl des richtigen Kühlkörpers bedeutet, den gesamten Wärmepfad vom Siliziumchip bis hin zur ihn umgebenden Luft zu verstehen.

Ich habe gesehen, dass das in zwei Richtungen schief gelaufen ist. Manche Ingenieure setzen aus Sicherheitsgründen auf einen riesigen Kühlkörper und verschwenden so Kosten, Gewicht und wertvollen Platz auf der Platine. Andere unterdimensionieren ihn und entdecken das Problem dann bei thermischen Tests. Oder noch schlimmer — sie finden es vor Ort heraus, wenn Geräte ausfallen. Die Mathematik, um das richtig zu machen, ist nicht kompliziert. Sie müssen es nur tatsächlich tun, anstatt zu raten. Deshalb gibt es den Heatsink Selection Calculator — er erledigt die Berechnung in Sekunden, sodass Sie sich darauf konzentrieren können, ob Ihr Design tatsächlich funktioniert.

Die Wärmewiderstandskette

Die Wärme fließt vom Halbleiterübergang durch eine Reihe von Wärmewiderständen. Stellen Sie sich das wie in Reihe geschaltete Widerstände vor — jede Schnittstelle erhöht den Widerstand, und die Summe bestimmt, wie heiß Ihre Verbindungsstelle wird. Der komplette Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zur Umgebungsluft beträgt:

Das aufschlüsseln:

-$\theta_{JC}$ist der Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zum Gehäuse. Sie finden ihn im Datenblatt der Komponenten, normalerweise im Abschnitt über die thermischen Eigenschaften. -$\theta_{CS}$ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper. Das hängt ganz davon ab, wie Sie das Teil montieren und welches Verbindungsmaterial Sie zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper verwenden. -$\theta_{SA}$ist der Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Umgebung. Dies ist die Spezifikation, auf die Sie bei der Auswahl eines Kühlkörpers eigentlich achten.

Die grundlegende Gleichung, die alles zusammenhält, lautet:

Dabei ist$T_J$Ihre Sperrschichttemperatur,$T_A$die Umgebungstemperatur rund um den Kühlkörper und$P_D$die Verlustleistung. Ordnen Sie dies neu an, um den maximal zulässigen Wärmewiderstand des Kühlkörpers zu ermitteln:

§2 §

Auf diese Gleichung kommt es an. Wenn Sie keinen Kühlkörper mit$\theta_{SA}$auf oder unter diesem berechneten Wert finden, haben Sie ein Problem. An diesem Punkt haben Sie die Wahl, die Verlustleistung zu reduzieren, die Umgebungstemperatur irgendwie zu senken, das Material für die thermische Schnittstelle zu verbessern oder mit einem Lüfter für einen erzwungenen Luftstrom zu sorgen.

Praktisches Beispiel: Linearer Regler mit einer Verlustleistung von 5 W

Lassen Sie uns ein reales Beispiel durchgehen. Angenommen, Sie verwenden einen TO-220-Linearregler, um 12 V auf 5 V bei 700 mA herunterzufahren. Berechnen Sie zunächst die Verlustleistung:

Lineare Regler sind einfach, aber sie wandeln den ganzen Spannungsunterschied in Wärme um. Schauen Sie jetzt im Datenblatt nach den thermischen Spezifikationen:

-$T_{J(max)} = 125\,°\text{C}$— Dies ist die Standardbewertung für die meisten handelsüblichen Teile -$\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$— typisch für ein TO-220-Gehäuse

Du planst, ein Silikon-Wärmeleitpad als Oberflächenmaterial zu verwenden, was dir$\theta_{CS} = 0.5\,°\text{C/W}$gibt. Die schlimmste Umgebungstemperatur in Ihrem Gehäuse ist$50\,°\text{C}$— nicht Raumtemperatur, da Ihre Box aus anderen Komponenten besteht, die Wärme erzeugen, und sie könnte in der Sonne oder in einem heißen Geräteschrank stehen.

Setze alles in die Gleichung ein:

§4 §

Sie benötigen also einen Kühlkörper mit der Nennleistung$11.5\,°\text{C/W}$oder niedriger. Ein TO-220-Standardkühlkörper aus gestanztem Aluminium im Bereich von 8—10 °C/W würde hier funktionieren und Ihnen einen gewissen Spielraum bieten. Lassen Sie uns die tatsächliche Sperrschichttemperatur überprüfen, wenn Sie einen Kühlkörper mit der Nennleistung$10\,°\text{C/W}$verwenden:

Das gibt Ihnen einen thermischen Spielraum von:

§6 §

Reicht ein Spielraum von 7,5 °C aus? Hängt von Ihrer Anwendung ab. Für ein günstiges Geschäftsumfeld mit kontrollierter Temperatur wahrscheinlich ja. Wenn bei Ihrer Konstruktion jedoch Vibrationen, Höhenunterschiede, gelegentliche Sonneneinstrahlung oder ein längerer Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen auftreten, benötigen Sie mehr Kopffreiheit. Viele Ingenieure gehen in diesen Situationen von$T_{J(max)} = 100\,°\text{C}$ab, was entweder einen deutlich besseren Kühlkörper oder eine grundlegende Konstruktionsänderung erfordern würde — vielleicht die Umstellung auf einen Abwärtswandler, anstatt kontinuierlich 5 W zu verbrennen.

Grundlegendes zu den Optionen für die Temperaturbewertung

Der Rechner bietet drei allgemeine Grenzwerte für die Sperrschichttemperatur, und die Auswahl des richtigen Grenzwerts ist wichtiger, als Sie vielleicht denken:

125 °C (Standard) ist die gängigste Bewertung für gewerbliche und industrielle Komponenten. Hier beginnen Sie bei den meisten Designs. Es ist das, worauf der Hersteller getestet hat, und das wird garantiert. 150 °C (hohe Temperatur) treten auf Automobilteilen und einigen militärischen Komponenten auf. Dadurch haben Sie mehr thermischen Spielraum, was toll klingt, aber gehen Sie nicht einfach davon aus, dass Sie diese Zahl verwenden können. Schauen Sie im Datenblatt Ihres speziellen Ersatzteils nach — nicht alle Geräte sind für 150 °C ausgelegt, auch wenn sie sich in einem Hochtemperaturgehäuse befinden. 100 °C (gemindert) ist eine konservative technische Entscheidung, die sich in puncto Zuverlässigkeit auszahlt. In vielen Zuverlässigkeitsrichtlinien, einschließlich der MIL-HDBK-217- und Telcordia-Standards, wird empfohlen, die Sperrschichttemperatur um 25 °C oder mehr unter dem absoluten Höchstwert zu senken. Warum? Weil der Betrieb eines Kühlers die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen drastisch verkürzt. Als grobe Faustregel gilt, dass jede Verringerung der Sperrschichttemperatur um 10 °C die erwartete Lebensdauer der Komponente verdoppeln kann. Wenn Sie etwas entwerfen, das jahrelang störungsfrei laufen muss, ist diese Leistungsreduzierung nicht optional — sie ist eine günstige Versicherung.

Die Wahl des richtigen$T_{J(max)}$ist im Grunde eine Konstruktionsentscheidung, die auf Ihren Zuverlässigkeitsanforderungen basiert, nicht nur auf dem, was im Datenblatt als absolute Höchstbewertung aufgeführt ist.

Häufige Fallstricke

Das Ignorieren von$\theta_{CS}$ist wahrscheinlich der häufigste Fehler, den ich sehe. Die Schnittstelle zwischen dem Komponentengehäuse und dem Kühlkörper ist nicht widerstandslos. Ein bloßer Metall-Metall-Kontakt ohne jegliche Wärmeleitpaste kann bei einem TO-220-Gehäuse leicht 1,0—2,0 °C/W erreichen. Wärmeleitpaste reduziert diesen Wert auf 0,3—0,5 °C/W, und ein trockenes Wärmeleitpad kann je nach Dicke und Qualität 0,5—1,0 °C/W betragen. Berücksichtigen Sie bei Ihren Berechnungen immer diesen Widerstand, da er nicht zu vernachlässigen ist, wenn Sie versuchen, die Leistung aus einem marginalen Design herauszuholen. Wenn Sie$\theta_{JA}$anstelle von$\theta_{JC}$im Freien verwenden, werden Ihre Berechnungen völlig zunichte. Bei der Nummer nach$\theta_{JA}$auf dem Datenblatt wird davon ausgegangen, dass kein Kühlkörper vorhanden ist und dass es sich um ein sehr spezifisches Testplatinenlayout mit definierter Kupferfläche handelt. Für die Dimensionierung von Kühlkörpern ist das praktisch nutzlos. Verwenden Sie bei der Montage eines Kühlkörpers immer$\theta_{JC}$, da dies der tatsächliche Wärmewiderstand zwischen der Siliziumverbindung und dem Gehäuse oder der Montagelasche der Komponente ist. Vergessen Sie, dass die Umgebungstemperatur in der realen Welt nicht 25 °C beträgt. In den Datenblättern wird alles bei einer angenehmen Raumtemperatur getestet. Ihr eigentliches Gehäuse kann an einem Sommertag, an dem andere Komponenten in der Nähe Wärme erzeugen, leicht 50—70 °C erreichen. Ich habe gesehen, dass Konstruktionen, die perfekt auf der Bank funktionierten, vor Ort versagten, weil niemand mit einem heißen Geräteschrank oder direkter Sonneneinstrahlung auf einem Außengehäuse gerechnet hat. Achten Sie bei der Konstruktion immer auf Ihre tatsächliche Worst-Case-Umgebungstemperatur, nicht auf die Laborbedingungen. Wenn Sie den Einfluss des Luftstroms vernachlässigen, bleibt die Leistung auf dem Tisch. Die Nennwerte gemäß$\theta_{SA}$des Kühlkörpers werden fast immer für natürliche Konvektion angegeben — also für stille Luft. Selbst wenn ein leichter, erzwungener Luftstrom mit 1—2 m/s hinzukommt, kann der$\theta_{SA}$um die Hälfte oder besser reduziert werden. Wenn Ihr Design aus anderen Gründen bereits einen Lüfter enthält, stellen Sie unbedingt sicher, dass Sie die richtige Kühlkörper-Nennwertkurve für erzwungene Konvektion verwenden. Der Unterschied zwischen natürlicher und erzwungener Konvektion ist enorm. Wenn Sie die falsche Zahl verwenden, bedeutet dies, dass Sie entweder deutlich zu viel oder gefährlich zu wenig konstruieren.

Wenn die Zahlen nicht funktionieren

Manchmal führt man die Berechnung durch und der erforderliche$\theta_{SA}$kommt lächerlich niedrig heraus — sagen wir, unter 2 °C/W — und kein vernünftig dimensionierter Kühlkörper kann diesen Wert bei natürlicher Konvektion erreichen. An diesem Punkt entscheiden Sie sich nicht mehr für einen Kühlkörper, sondern entwerfen etwas Grundlegendes neu. Ihre Optionen sind:

Fügen Sie einen erzwungenen Luftstrom hinzu, um die Leistung des Kühlkörpers drastisch zu verbessern. Selbst ein kleiner Lüfter kann dafür sorgen, dass ein Kühlkörper mit 5 °C/W bei ruhiger Luft wie ein Kühlkörper mit 2 °C/W funktioniert. Dies ist oft die billigste Lösung, wenn Sie genügend Platz haben und den Lärm und den Stromverbrauch tolerieren können. Reduzieren Sie die Verlustleistung an der Quelle. Wechseln Sie zu einem Abwärtswandler anstelle eines Linearreglers. Verwenden Sie einen MOSFET mit niedrigerem$R_{DS(on)}$. Gestalten Sie den Stromkreis so um, dass er mit niedrigerem Strom betrieben wird. Manchmal sagt Ihnen das thermische Problem, dass Ihre Schaltungstopologie für die Leistungsstufen, die Sie zu bewältigen versuchen, grundlegend falsch ist.

Verteilen Sie die Wärme auf mehrere Geräte oder verwenden Sie das PCB-Kupfer als Kühlkörper. Moderne Leistungskomponenten in Gehäusen mit freiliegendem Pad können viel Wärme direkt in die Leiterplatte ableiten, wenn Sie den Kupferbereich richtig gestalten. Bei Designs mit hoher Leistung ersetzt das keinen Kühlkörper, kann aber den Kühlkörperbedarf erheblich reduzieren. Verwenden Sie ein Bauteil mit höherer Nennwert mit niedrigerem$\theta_{JC}$oder höherem$T_{J(max)}$. Größere Verpackungen haben im Allgemeinen eine bessere Wärmeleistung. Ein TO-247 wird einen TO-220 übertreffen. Eine Komponente, die für 150 °C statt 125 °C ausgelegt ist, bietet Ihnen 25 °C mehr Kopffreiheit. Manchmal ist es günstiger, einen zusätzlichen Dollar für eine bessere Komponente auszugeben als die mechanische Komplexität eines riesigen Kühlkörpers.

Der Rechner macht es einfach, diese Kompromisse schnell zu untersuchen. Ändern Sie die Verlustleistung, passen Sie die Umgebungstemperatur an, probieren Sie verschiedene Grenzwerte für die Sperrschichttemperatur aus und sehen Sie sofort, welchen Wärmewiderstand Sie benötigen. Das ist viel schneller, als jedes Mal, wenn Sie ein anderes Szenario ausprobieren möchten, die Algebra von Hand durchzuführen.

Versuch es

Hören Sie auf, bei der Auswahl des Kühlkörpers zu raten. Geben Sie Ihre tatsächliche Verlustleistung, Ihre tatsächliche Umgebungstemperatur im schlimmsten Fall und Ihre Wärmewiderstandswerte ein. Sehen Sie sofort, ob die Wahl Ihres Kühlkörpers genügend Spielraum bietet oder ob Sie das Design überdenken müssen, bevor Sie sich für einen Prototyp entscheiden. Öffnen Sie den Kühlkörper-Auswahlrechner und rechnen Sie die Zahlen aus. Das dauert vielleicht 30 Sekunden und kann dir das erneute Drehen eines ganzen Boards ersparen, wenn du das thermische Problem vor der Herstellung feststellst und nicht danach.