Cómo dimensionar correctamente un disipador térmico: matemáticas de resistencia térmica que todo ingeniero debe conocer

Por qué la selección de disipadores térmicos es más que simplemente «elegir uno grande»

Todos los componentes de alimentación (reguladores de voltaje, MOSFET, amplificadores de potencia de RF, controladores LED) generan calor. Y cada uno de esos componentes tiene una temperatura de unión máxima ($T_{J(max)}$), por encima de la cual la confiabilidad cae por un precipicio. La función de un disipador térmico es mantener la temperatura de la unión de forma segura por debajo de ese límite, pero elegir el disipador térmico adecuado implica conocer toda la trayectoria térmica desde la matriz de silicio hasta el aire circundante.

Con demasiada frecuencia, los ingenieros sobrepasan las especificaciones de un disipador térmico de gran tamaño (lo que supone un desperdicio de coste, peso y espacio en la placa) o no cumplen con las especificaciones y descubren el problema durante las pruebas térmicas o, lo que es peor, sobre el terreno. Los cálculos no son difíciles; solo tienes que hacerlos. Eso es exactamente para lo que está diseñada la [abre la calculadora de selección de disipadores térmicos] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/).

La cadena de resistencia térmica

El calor fluye desde la unión del semiconductor a través de una serie de resistencias térmicas, análogas a las resistencias de un circuito eléctrico en serie. La resistencia térmica total desde la unión hasta la temperatura ambiente es:

Dónde:

-$\theta_{JC}$: resistencia térmica entre la unión y la caja (según la hoja de datos) -$\theta_{CS}$: resistencia térmica entre la carcasa y el disipador térmico (depende del método de montaje y del material de la interfaz) -$\theta_{SA}$: resistencia térmica entre el disipador y el ambiente (la especificación que está buscando)

La ecuación térmica fundamental es:

Reordenando para encontrar la resistencia térmica máxima permitida del disipador térmico:Este es el cálculo principal. Si no puedes encontrar un disipador térmico con$\theta_{SA}$igual o inferior a este valor, debes reducir la disipación de energía, bajar la temperatura ambiente, mejorar el material de la interfaz o añadir un flujo de aire forzado.

Ejemplo resuelto: regulador lineal que disipa 5 W

Supongamos que está utilizando un regulador lineal TO-220 que reduce de 12 V a 5 V a 700 mA. La disipación de potencia es:

De la hoja de datos:

-$T_{J(max)} = 125\,°\text{C}$(clasificación estándar) -$\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$Estás usando una almohadilla térmica de silicona como interfaz, así que$\theta_{CS} = 0.5\,°\text{C/W}$. La temperatura ambiente más desfavorable dentro de la carcasa es$50\,°\text{C}$.

Conectándose a la ecuación:

Por lo tanto, necesita un disipador térmico con una clasificación de$11.5\,°\text{C/W}$o inferior. Un disipador térmico TO-220 de aluminio estampado estándar en el rango de 8 a 10 °C/W funcionaría y te daría cierto margen.

Ahora vamos a comprobar la temperatura real de la unión con un disipador con una clasificación de$10\,°\text{C/W}$:

Esto da un margen térmico de:¿7,5 °C es suficiente margen? Para un entorno comercial benigno, probablemente sí. En el caso de un diseño en el que se produzcan vibraciones, altitud o cargas solares ocasionales, querrás más, y podrías reducir la calificación a$T_{J(max)} = 100\,°\text{C}$, lo que requeriría un disipador de calor considerablemente mejor o un cambio de diseño.

Comprender las opciones de clasificación de temperatura

La calculadora ofrece tres límites comunes de temperatura de unión:

• 125 °C (estándar) : la clasificación más común para piezas de uso comercial e industrial. Este es el punto de partida predeterminado para la mayoría de los diseños.
• 150 °C (alta temperatura) : se encuentra en piezas de automoción y en algunas piezas militares. Te da más margen térmico, pero no utilices este número a menos que tu pieza específica esté calificada para ello.
• 100 °C (reducción de potencia) : una elección de ingeniería conservadora. Muchas directrices de confiabilidad (incluidas la MIL-HDBK-217 y la Telcordia) recomiendan reducir la temperatura de la unión en 25 °C o más. Un funcionamiento más frío mejora considerablemente el tiempo medio entre fallos. Como regla general, cada reducción de 10 °C en la temperatura de unión puede duplicar la vida útil del componente.

Elegir el$T_{J(max)}$correcto es una decisión de diseño que depende de sus requisitos de confiabilidad, no solo del máximo absoluto de la hoja de datos.

Dificultades comunes

Omitiendo$\theta_{CS}$. La interfaz entre la carcasa del componente y el disipador térmico no es de resistencia cero. En el caso de un TO-220, un contacto entre metal y metal sin compuesto térmico puede oscilar entre 1,0 y 2,0 °C/W. La grasa térmica lo reduce a entre 0,3 y 0,5 °C/W, y una almohadilla térmica seca puede oscilar entre 0,5 y 1,0 °C/W. Ten siempre en cuenta este hecho. Usar$\theta_{JA}$al aire libre en lugar de$\theta_{JC}$. El número$\theta_{JA}$que aparece en una hoja de datos supone que no hay disipador térmico y que se trata de una placa de prueba específica. No sirve de nada para calcular los disipadores térmicos; utilice siempre$\theta_{JC}$.

Olvídese de que la temperatura ambiente no es de 25 °C. Las hojas de datos realizan pruebas a 25 °C. Su carcasa, en un día de verano, con otros componentes que generan calor en las cercanías, puede estar entre 50 y 70 °C. Diseñe para su entorno más desfavorable. Descuidar el flujo de aire. La clasificación$\theta_{SA}$del disipador térmico se suele especificar para la convección natural. Añadir incluso un flujo de aire forzado (1-2 m/s) puede reducir$\theta_{SA}$a la mitad. Si tu diseño incluye un ventilador, asegúrate de utilizar la curva de clasificación del disipador térmico correcta.

Cuando los números no funcionan

A veces, el valor de$\theta_{SA}$requerido es muy bajo (por ejemplo, menos de 2 °C/W) y ningún disipador térmico de tamaño razonable puede alcanzar ese nivel por convección natural. En ese momento, tus opciones son:

1. Agregue un flujo de aire forzado para mejorar drásticamente el rendimiento del disipador térmico.
2. Reduzca la disipación de energía: cambie a un regulador de conmutación, utilice un MOSFET$R_{DS(on)}$más bajo o rediseñe el circuito.
3. Distribuya el calor en varios dispositivos o en un área de cobre PCB más grande.
4. Utilice una pieza de mayor valoración con un$\theta_{JC}$inferior o un$T_{J(max)}$superior.

La calculadora hace que sea fácil jugar con estas ventajas y desventajas de forma rápida.

Pruébalo

Introduzca sus valores reales de disipación de energía, temperatura ambiente y resistencia térmica y compruebe al instante si el disipador térmico que ha elegido tiene suficiente margen o si necesita replantearse el diseño. [Abre la calculadora de selección de disipadores térmicos] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) y calcula los números antes de lanzar tu próximo prototipo. Tardarás 30 segundos y te ahorrarás una vuelta en el tablero.