So prognostizieren Sie die Sperrschichttemperatur, bevor Ihre Platine überhitzt: Wärmewiderstandsnetzwerke erklärt

Warum thermische Widerstandsnetzwerke wichtig sind

Jeder Halbleiter hat eine maximale Sperrschichttemperatur. Wenn Sie diese überschreiten, ist die Leistung beeinträchtigt, die Lebensdauer wird reduziert oder es kommt zu einem völligen Ausfall. Das Datenblatt gibt „MATHINLINE_11“ an, normalerweise 125 °C oder 150 °C, aber die eigentliche Frage ist: *Wie hoch wird die Sperrschichttemperatur in Ihrem System tatsächlich sein? *

Hier kommt das Wärmewiderstandsnetzwerk ins Spiel. Es ist das elektrische Analogiemodell, mit dem Sie die Sperrschichttemperatur anhand der Verlustleistung und einer Kette von Wärmewiderständen vorhersagen können, genau wie das Ohmsche Gesetz, nur für Wärme. Wenn Sie jemals einen Kühlkörper nach Ihrem Bauchgefühl ausgewählt und auf das Beste gehofft haben, ersetzt dieser Ansatz Hoffnung durch Mathematik.

Die Wärmewiderstandskette

Die Wärme fließt vom Halbleiterübergang über eine Reihe von Wärmewiderständen in die Umgebung. Das Standardmodell unterteilt dies in drei Segmente:

„MATHBLOCK_0“

Wo:

• „MATHINLINE_12“ ist die im Gerät abgegebene Leistung (Watt)
• „MATHINLINE_13“ ist der Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zum Gehäuse (°C/W), der vom Gehäuse und der Düsenbefestigung festgelegt wird
• „MATHINLINE_14“ ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper (°C/W), der durch das Wärmeleitmaterial (TIM) bestimmt wird
• „MATHINLINE_15“ ist der Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Umgebung (°C/W) — eine Eigenschaft des Kühlkörpers und des Luftstroms
• „MATHINLINE_16“ ist die Umgebungstemperatur (°C)

Der Gesamtwiderstand von der Verbindungsstelle zur Umgebung ist einfach die Summe:

„MATHBLOCK_1“

Dies ist ein Reihennetzwerk — Wärme hat nur einen Pfad. Jeder Widerstand erzeugt einen Temperaturabfall proportional zur durch ihn fließenden Leistung, genau wie Spannungsabfälle an Reihenwiderständen.

Zwischentemperaturen

Das Schöne am Netzwerkmodell ist, dass Sie die Temperatur an jeder Schnittstelle berechnen können, nicht nur an der Kreuzung. Arbeiten Sie von der Umgebung zurück zur Kreuzung:

„MATHBLOCK_2“ „MATHBLOCK_3“ „MATHBLOCK_4“

Dies ist bei der Validierung von unschätzbarem Wert — Sie können ein Thermoelement am Kühlkörper oder am Gehäuse anbringen und überprüfen, ob die Realität Ihrem Modell entspricht. Wenn „MATHINLINE_17“ höher als vorhergesagt ist, weist Ihr Kühlkörper eine unterdurchschnittliche Leistung auf (möglicherweise ist der Luftstrom blockiert). Wenn „MATHINLINE_18“ im Vergleich zu „MATHINLINE_19“ höher als erwartet ist, liegt ein Problem mit Ihrer thermischen Schnittstelle vor.

Funktionierendes Beispiel: Ein 10-W-Spannungsregler

Nehmen wir an, Sie entwerfen ein Netzteil mit einem LDO, der in einem TO-220-Gehäuse 10 W ableitet. Sie müssen ermitteln, ob der von Ihnen gewählte Kühlkörper die Verbindungsstelle bei einer Umgebungstemperatur von schlimmstenfalls von 70 °C unter 150 °C hält.

Gegebene Werte:

• „MATHINLINE_20“
• „MATHINLINE_21“ (aus dem Datenblatt)
• „MATHINLINE_22“ (Wärmeleitpad mit Befestigungsclip)
• „MATHINLINE_23“ (Kühlkörper aus stranggepresstem Aluminium, natürliche Konvektion)
• „MATHINLINE_24“

Berechnung:

„MATHBLOCK_5“

„MATHBLOCK_6“ „MATHBLOCK_7“ „MATHBLOCK_8“

Thermischer Spielraum bis 150 °C:

„MATHBLOCK_9“

Die Verbindungsstelle erreicht also 130 °C — technisch gesehen innerhalb der Spezifikation, aber nur 20 °C vom Grenzwert entfernt. Das ist unangenehm eng für ein Produktionsdesign, bei dem die TIM-Anwendung, das Montagedrehmoment des Kühlkörpers und der lokale Luftstrom von Einheit zu Einheit variieren. In der Praxis würde ich mir einen Spielraum von mindestens 20—30 °C wünschen, daher ist dieses Design grenzwertig.

Stellen Sie sich nun dasselbe Design bei 25 °C Umgebungstemperatur vor (Prüfung auf dem Prüfstand):

„MATHBLOCK_10“

Auf der Bank sieht es absolut bequem aus — genau aus diesem Grund müssen Sie immer die ungünstigsten Umgebungsbedingungen analysieren. Ein Design, das sich bei 25 °C kühl anfühlt, kann bei 70 °C kurz vor dem Ausfall stehen.

Häufige Fallstricke

Ignoriere „MATHINLINE_25“ : Techniker springen oft von „MATHINLINE_26“ zu „MATHINLINE_27“ und vergessen den Schnittstellenwiderstand. Ein trockener Kontakt zwischen einem TO-220 und einem Kühlkörper kann 1,0—2,0 °C/W betragen. Mit Wärmeleitpaste sinkt der Wert auf 0,3—0,5 °C/W. Bei 10 W entspricht das einem Unterschied von 5—15 °C an der Verbindungsstelle. Mit „MATHINLINE_28“ aus dem Datenblatt: Der „MATHINLINE_29“ -Wert in einem Datenblatt wird auf einer standardisierten Testplatine (normalerweise JEDEC) gemessen. Er steht *nicht* für Ihre Leiterplatte, Ihr Gehäuse oder Ihren Luftstrom. Bauen Sie das Netzwerk immer aus den einzelnen Widerständen auf. Vergiss die Leistungsreduzierung: Viele Hersteller geben die Zuverlässigkeit mit „MATHINLINE_30“ an, aber die Lebensdauer verschlechtert sich exponentiell mit der Temperatur. Das Arrhenius-Modell geht davon aus, dass sich bei jedem Anstieg um 10 °C die Lebensdauer der Komponenten in etwa halbiert. Der Betrieb bei 130 °C statt 110 °C hat echte Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit.

Das richtige „MATHINLINE_31“ auswählen

Der Widerstand zwischen Kühlkörper und Umgebung ist in der Regel der vorherrschende Begriff, über den Sie die meiste Kontrolle haben. Einige typische Werte als Referenz:

Wenn Ihr thermischer Spielraum nicht ausreicht, ist es in der Regel am praktischsten, den Wert „MATHINLINE_33“ zu reduzieren, indem Sie einen größeren Kühlkörper wählen oder den Luftstrom erhöhen.

Wann sollte dieser Rechner verwendet werden

Sie sollten diese Analyse immer dann durchführen, wenn Sie mehr als ein oder zwei Watt verlieren oder wenn Ihre Umgebungstemperatur 40 °C übersteigt. Zu den spezifischen Szenarien gehören:

• Auswahl eines Kühlkörpers für einen Linearregler, MOSFET oder Leistungsverstärker
• Überprüfung der Temperaturspanne für mehrere Umgebungstemperaturspezifikationen (25 °C, 40 °C, 70 °C, 85 °C)
• Problembehandlung bei einer Platine, auf der Komponenten überhitzt sind
• Vergleich von Materialien für thermische Schnittstellen
• Dokumentation der thermischen Analyse für eine Entwurfsprüfung

Mit dem Rechner können Sie die Umgebungstemperatur unter Berücksichtigung der Standardbedingungen — Raum (25 °C), warm (40 °C), heiß (70 °C) und Grenzwert (85 °C) — berechnen, sodass Sie in Sekundenschnelle das Gesamtbild sehen können.

Probiere es aus

Stecken Sie die Wärmewiderstände und die Verlustleistung Ihres Geräts ein und sehen Sie sofort die Temperatur an den Verbindungs-, Gehäuse- und Kühlkörpern unter verschiedenen Umgebungsbedingungen. Schluss mit Tabellenkalkulationen — [öffnen Sie den Thermal Resistance Network Calculator] (https://rftools.io/calculators/thermal/thermal-resistance-network/) und vergewissern Sie sich, dass Ihr thermisches Design den erforderlichen Spielraum hat, bevor Sie die Platine drehen.