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Thermal

Kalkulator zur Kühlkörper-Auswahl

Berechnen Sie den erforderlichen Wärmewiderstand des Kühlkörpers (ΔSA), um eine Geräteverbindung unter ihrer Maximaltemperatur zu halten. Verwenden Sie dies, um einen geeigneten Kühlkörper auszuwählen.

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Formel

θSA=TJ(max)−TAPD−θJC−θCS\theta_{SA} = \frac{T_{J(max)} - T_A}{P_D} - \theta_{JC} - \theta_{CS}
θ_SA— Erforderlicher Wärmewiderstand des Kühlkörpers (°C/W)
T_J(max)— Maximale Sperrschichttemperatur (°C)
T_A— Umgebungstemperatur (°C)
P_D— Verlustleistung (W)
θ_JC— Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zum Gehäuse (°C/W)
θ_CS— Wärmewiderstand von Gehäuse zu Kühlkörper (°C/W)

Wie es funktioniert

Kühlkörper Der Auswahlrechner bestimmt den erforderlichen Wärmewiderstand und empfiehlt die Dimensionierung des Kühlkörpers— unerlässlich für die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik, das LED-Wärmemanagement und das CPU-/GPU-Kühldesign. Wärmeingenieure, Leiterplattendesigner und Produktingenieure verwenden dies, um sicherzustellen, dass die Komponenten innerhalb sicherer Temperaturgrenzen arbeiten. Gemäß JEDEC JESD51-14 umfasst das Auswahlverfahren: (1) Berechnung der Verlustleistung Pd, (2) Bestimmung des maximal zulässigen θJA aus Tj (max), Ta (max.) und Konstruktionsmarge, (3) subtrahieren Sie θJC und θCS , um den erforderlichen θSA, (4) auszuwählen. Wählen Sie Kühlkörperaus, der θSA Anforderung erfüllt. Die Standardkühlkörper reichen von θSA = 20 °C/W (kleiner Clip, 15 × 15 × 10 mm) bis θSA = 0,5 °C/W (große Lamellen mit Lüfter, 100 × 100 × 50 mm). Eine 10% ige Leistungsreduzierung gemäß θSA berücksichtigt Fertigungsunterschiede und Alterung gemäß den Richtlinien für die thermische Auslegung.

Rechenbeispiel

Wählen Sie Kühlkörperfür den MOSFET-Treiber mit einer Verlustleistung von 15 W im TO-247-Gehäuse. Anforderungen: Tj (maximal) = 150 °C, Ta (maximal) = 55 °C, Sollwert Tj = Tj (max) — 25 °C = 125 °C für die Zuverlässigkeitsspanne. Aus dem MOSFET-Datenblatt: θJC = 0.4°C/W (TO-247AC). Berechnen Sie den erforderlichen θJA: θJA(max) = (125 °C — 55 °C) /15 W = 4,67 °C/W. Verwenden Sie das Bergquist Sil-Pad 2000 Wärmeleitpad ( (θCS = 0,3°C/W) : θSA(max) = 4.67 - 0.4 - 0.3 = 3,97°C/W. Wenden Sie eine Leistungsreduzierung von 10% an: θSA(design) = 3.97 × 0.9 = 3,57°C/W. Wählen Sie Aavid 62700 (60 mm extrudiert, θSA = 3,2°C/W). Mit Umluft überprüfen: Wenn der Lüfter einen Luftstrom von 2 m/s bietet, sinkt θSA auf 1,2 °C/W, sodass bei gleichem Tj eine Ableitung von 40 W möglich ist — nützlich bei Überlastung.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie Online-Tools zur Auswahl von Kühlkörpern (Aavid, Wakefield-Vette) — Eingangsleistung, Tj (max.), Ta, Gehäusetyp; das Tool empfiehlt kompatible Produkte mit θSA kurven
  • ✓Ziehen Sie für enge Räume Wärmerohre oder Dampfkammern in Betracht — erreichen Sie θSA < 0,5°C/W bei einer Höhe von 5 mm, was dünne Formfaktoren für mobile Geräte ermöglicht
  • ✓Wärmeleitpads vereinfachen die Montage im Vergleich zu Wärmeleitpaste, sind aber 2—3 mal höher θCS — Für kritische Anwendungen verwenden Sie Wärmeleitpaste mit kontrollierter Klebstoffdicke

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren von Schwankungen der Umgebungstemperatur — die Planung für Laborbedingungen von 25 °C schlägt in Industrieumgebungen mit 50 °C fehl; verwenden Sie immer das Worst-Case-Ta aus der Produktspezifikation
  • ✗Vernachlässigung des komponentenspezifischen Wärmewiderstands — θJC variiert 10-mal zwischen den Paketen (TO-220:1 °C/W gegenüber SOIC-8:40 °C/W); anhand des Gerätedatenblatts überprüfen
  • ✗Fehlende Anwendung des Derating-Faktors — veröffentlicht θSA 0 geht von einer idealen Montage und Luftführung aus; wenden Sie eine Leistungsreduzierung von 10-20% an, um die tatsächliche Marge gemäß MIL-HDBK-251 zu erreichen

Häufig gestellte Fragen

Der Wärmewiderstand θ (°C/W oder K/W) misst den Widerstand gegen den Wärmefluss: Tj = Ta + Pd × θJA. niedriger θ bedeutet bessere Kühlung. Der Wärmepfad von der Verbindungsstelle zur Umgebung besteht aus θJC (Gehäuse, 0,4-40 °C/W), θCS (Schnittstelle, 0,1-1 °C/W) und θSA (Kühlkörper, 0,5-20 °C/W). Diese fügen der Reihe nach hinzu: θJA = θJC + θCS + θSA.
Veröffentlicht θSA Geht von einem optimalen Montagedruck (50—100 psi), einer sauberen thermischen Schnittstelle, einem bestimmten Luftstrom und einer vertikalen Ausrichtung aus. Bei realen Installationen gibt es Abweichungen: lose Schrauben (+10% θSA), Staubansammlung (+5-15%), horizontale Montage (+20-30% bei natürlicher Konvektion). Die Reduzierung um 10% bietet eine Mindestmarge; verwenden Sie 20-30% für raue Umgebungen gemäß IPC-9592B.
Wenn natürliche Konvektion den erforderlichen θSA nicht erreicht, typischerweise oberhalb von 5-10 W pro Bauteil. Bei Kühlkörpern mit Lamellen verbessert Zwangsbelüftung mit 2-3 m/s den θSA um das 3- bis 5-Fache. Lüfterdimensionierung: 1 CFM pro 5-10 W Gesamtverlustleistung im Gehäuse. Bei Leistungsdichten >10 W/cm² bietet Flüssigkeitskühlung eine 10-mal bessere Leistung als Luft. Kostenabwägung: größerer Kühlkörper (5-20 USD) oder Lüfter (3-10 USD) + kleinerer Kühlkörper.
Faustregel für Aluminiumprofile mit natürlicher Konvektion: θSA ≈ 50 / √(area_cm²). For θSA = 5°C/W: Fläche = (50/5)² = 100 cm² = 10×10 cm Grundfläche. Fügen Sie Lamellen hinzu, um die effektive Fläche auf derselben Grundfläche zu verdoppeln. Durch Umluft ist der Kühlkörper um den Faktor 3 bis 5 kleiner und gleichbleiben θSA. Für die genaue Dimensionierung sind Wärmekurven des Herstellers oder CFD-Simulationen erforderlich.

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