Guía de selección de disipadores de calor: cómo calcular la resistencia térmica y el tamaño de un disipador de calor

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

Cada componente eléctrico genera calor. Los reguladores de voltaje, los MOSFET, los amplificadores de potencia de RF y los controladores LED: todos ellos convierten la energía eléctrica en energía térmica y ese calor tiene que ir a alguna parte. Cada uno de estos componentes tiene una temperatura máxima de unión (§ 7§) estampada en su hoja de datos y, si la superas, la confiabilidad cae por el precipicio. El trabajo del disipador térmico es sencillo: mantener la temperatura de unión por debajo del límite de forma segura. Pero esta es la cuestión: elegir el disipador térmico adecuado significa comprender realmente la trayectoria térmica completa desde la matriz de silicio hasta el aire que la rodea.

He visto que esto va mal en dos direcciones. Algunos ingenieros instalan un enorme disipador térmico solo por motivos de seguridad, desperdiciando costes, peso y un valioso espacio en la placa. Otros lo reducen y luego descubren el problema durante las pruebas térmicas. O lo que es peor, lo descubren sobre el terreno cuando las unidades comienzan a fallar. Los cálculos para hacerlo bien no son complicados. Solo tienes que hacerlo de verdad en lugar de adivinar. Por eso existe la Calculadora de selección de disipadores térmicos: realiza el cálculo en segundos para que puedas centrarte en si tu diseño realmente funciona.

La cadena de resistencia térmica

El calor fluye desde la unión del semiconductor a través de una serie de resistencias térmicas. Piense en ello como si fueran resistencias en serie: cada interfaz añade resistencia y el total determina qué tan caliente se calienta la unión. La resistencia térmica completa desde la unión hasta el aire ambiente es:

Desglosando esto:

• El$\theta_{JC}$es la resistencia térmica entre la unión y la carcasa. La encontrará en la hoja de datos del componente, normalmente incluida en la sección de características térmicas.
• El artículo 9§ es la resistencia térmica de la carcasa al disipador térmico. Esto depende completamente de cómo se monte la pieza y del material de interfaz que se utilice entre el paquete y el disipador térmico.
• El artículo 10§ es la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente. Esta es la especificación que realmente estás buscando cuando eliges un disipador térmico.

La ecuación fundamental que lo une todo es:Donde$T_J$es la temperatura de la unión,$T_A$es la temperatura ambiente alrededor del disipador térmico y$P_D$es la energía que se disipa. Reorganice esto para obtener la resistencia térmica máxima permitida del disipador térmico:Esta es la ecuación que importa. Si no puedes encontrar un disipador térmico con el artículo 14§ igual o inferior a este valor calculado, tienes un problema. En ese momento, tus opciones son reducir la disipación de energía, bajar la temperatura ambiente de alguna manera, mejorar el material de la interfaz térmica o añadir un flujo de aire forzado con un ventilador.

Ejemplo resuelto: regulador lineal que disipa 5 W

Veamos un ejemplo real. Supongamos que está utilizando un regulador lineal TO-220 para reducir 12 V a 5 V a 700 mA. Primero, calcula la disipación de potencia:

Los reguladores lineales son simples, pero convierten toda esa diferencia de voltaje en calor. Ahora consulte la hoja de datos para ver las especificaciones térmicas:

• § 15§: esta es la clasificación estándar para la mayoría de las piezas de uso comercial

-$\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$: típico de un paquete TO-220

Vas a utilizar una almohadilla térmica de silicona como material de interfaz, lo que te da el artículo 17§. En el peor de los casos, la temperatura ambiente dentro de la carcasa es de 18 grados, no la temperatura ambiente, ya que la caja tendrá otros componentes que generen calor y podría quedar expuesta al sol o al calor de una estantería para equipos.

Incluye todo en 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 en este caso y te daría cierto margen. Verifiquemos la temperatura real de la unión si utilizas un disipador térmico con una clasificación de 20 grados:Esto le da un margen térmico de:¿7,5 °C es suficiente margen? Depende de su aplicación. Para un entorno comercial benigno con temperatura controlada, probablemente sí. Pero si en tu diseño hay vibraciones, cambios de altitud, cargas solares ocasionales o un funcionamiento prolongado a altas temperaturas ambientales, querrás tener más espacio libre. En esas situaciones, muchos ingenieros lo reducen al artículo 21§, lo que requeriría un disipador mucho mejor o un cambio fundamental en el diseño, por ejemplo, cambiar a un convertidor automático en lugar de consumir 5 W de forma continua.

Comprender las opciones de clasificación de temperatura

La calculadora ofrece tres límites comunes de temperatura de unión, y elegir el correcto es más importante de lo que piensa:

125 °C (estándar) es la clasificación más común para componentes de calidad comercial e industrial. Aquí es donde se empieza para la mayoría de los diseños. Es lo que el fabricante probó y es lo que garantizarán. Los 150 °C (alta temperatura) aparecen en las piezas aptas para automóviles y en algunos componentes con especificaciones militares. Esto te da más margen térmico, lo que suena genial, pero no des por sentado que puedes usar este número. Consulta la hoja de datos específica de cada pieza: no todos los dispositivos tienen una capacidad nominal de 150 °C, incluso si vienen en un paquete de alta temperatura. 100 °C (reducción de potencia) es una elección de ingeniería conservadora que se traduce en fiabilidad. Muchas pautas de confiabilidad, incluidas las normas MIL-HDBK-217 y Telcordia, recomiendan reducir la temperatura de las uniones en 25 °C o más por debajo del máximo absoluto. ¿Por qué? Porque funcionar a una temperatura más fría mejora drásticamente el tiempo medio entre fallos. Como regla general, cada reducción de 10 °C en la temperatura de la unión puede duplicar la vida útil esperada del componente. Si estás diseñando algo que necesita funcionar durante años sin fallos, esta reducción de potencia no es opcional, sino que es un seguro económico.

Elegir el artículo 22§ correcto es, fundamentalmente, una decisión de diseño que se basa en sus requisitos de confiabilidad, no solo en lo que la hoja de datos indique como calificación máxima absoluta.

Dificultades comunes

Ignorar el artículo 23§ es probablemente el error más común. La interfaz entre la carcasa del componente y el disipador térmico no es de resistencia cero. Un contacto directo de metal a metal sin ningún compuesto térmico puede oscilar fácilmente entre 1,0 y 2,0 °C/W en un paquete TO-220. La grasa térmica reduce esta temperatura a entre 0,3 y 0,5 °C/W, y una almohadilla térmica seca puede oscilar entre 0,5 y 1,0 °C/W, según el grosor y la calidad. Tenga siempre en cuenta esta resistencia en sus cálculos, ya que no es desdeñable cuando se trata de reducir el rendimiento de un diseño marginal. Utilizar el artículo 24§ al aire libre en lugar del artículo 25§ arruinará por completo sus calculaciones. El número$\theta_{JA}$de la hoja de datos supone que no hay disipador térmico y que se trata de un diseño de placa de prueba muy específico con un área de cobre definida. Es esencialmente inútil para el dimensionamiento de los disipadores térmicos. Utilice siempre el artículo 27§ cuando monte un disipador térmico, ya que esa es la resistencia térmica real desde la unión de silicio hasta la carcasa del componente o la lengüeta de montaje. Olvídate de que la temperatura ambiente no es de 25 °C en el mundo real. Las hojas de datos comprueban todo a una temperatura ambiente agradable. Una carcasa real, en un día de verano, con otros componentes que generan calor cerca, puede alcanzar fácilmente los 50 o 70 °C. He visto cómo los diseños que funcionaban perfectamente en una mesa fallan sobre el terreno porque nadie tenía en cuenta que un bastidor para equipos estaba caliente o la luz solar directa sobre una carcasa exterior. Diseñe siempre teniendo en cuenta la temperatura ambiente más desfavorable, no las condiciones del laboratorio. Si se descuida el efecto del flujo de aire, el rendimiento queda sobre la mesa. La clasificación del disipador térmico$\theta_{SA}$casi siempre se especifica para la convección natural, es decir, aire en calma. Añadir incluso un flujo de aire suave y forzado a una velocidad de 1 a 2 m/s puede reducir el$\theta_{SA}$a la mitad o incluso más. Si tu diseño ya incluye un ventilador por otros motivos, asegúrate de utilizar la curva de clasificación del disipador térmico correcta para la convección forzada. La diferencia entre el rendimiento de la convección natural y la forzada es enorme, y usar un número incorrecto significa que estás sobrediseñando por un margen enorme o diseñando insuficientemente de forma peligrosa.

Cuando los números no funcionan

A veces, al hacer el cálculo, el número requerido de 30 grados sale ridículamente bajo (por ejemplo, menos de 2 °C/W) y ningún disipador de calor de tamaño razonable puede alcanzar ese número por convección natural. En ese momento, ya no estás eligiendo un disipador térmico, sino que estás rediseñando algo fundamental. Sus opciones son:

Agregue un flujo de aire forzado para mejorar drásticamente el rendimiento del disipador térmico. Incluso un ventilador pequeño puede hacer que un disipador térmico de 5 °C/W funcione como un disipador de calor de 2 °C/W en aire en reposo. Esta suele ser la solución más económica si tienes espacio y puedes tolerar el ruido y el consumo de energía. Reduce la disipación de energía en la fuente. Cambie a un convertidor reductor en lugar de a un regulador lineal. Utilice un MOSFET con un$R_{DS(on)}$más bajo. Rediseñe el circuito para que funcione con una corriente más baja. A veces, el problema térmico te indica que la topología de tu circuito es fundamentalmente incorrecta para los niveles de potencia que intentas manejar.

Distribuya el calor entre varios dispositivos o utilice el PCB de cobre como disipador térmico. Los componentes de alimentación modernos en paquetes con placas expuestas pueden arrojar mucho calor directamente a la PCB si diseñas la zona de cobre correctamente. Esto no sustituirá a un disipador térmico en los diseños de alta potencia, pero puede reducir significativamente la necesidad de disipadores térmicos. Utilice una pieza de mayor calidad con un$\theta_{JC}$más bajo o un$T_{J(max)}$más alto. Los paquetes más grandes suelen tener un mejor rendimiento térmico. Un TO-247 superará a un TO-220. Un componente con una potencia nominal de 150 °C en lugar de 125 °C te proporciona 25 °C más de margen de maniobra. A veces, gastar un dólar extra en un componente mejor es más barato que la complejidad mecánica de un disipador térmico enorme.

La calculadora facilita la exploración rápida de estas ventajas y desventajas. Cambie la disipación de energía, ajuste la temperatura ambiente, pruebe diferentes límites de temperatura de unión y compruebe inmediatamente qué resistencia térmica del disipador térmico necesita. Es mucho más rápido que hacer el álgebra a mano cada vez que quieras probar un escenario diferente.

Pruébalo

Deja de adivinar la selección del disipador térmico. Introduzca su disipación de energía real, su temperatura ambiente más desfavorable y sus valores de resistencia térmica. Comprueba al instante si el disipador térmico que has elegido tiene suficiente margen o si necesitas replantearte el diseño antes de comprometerte con un prototipo. Abre la calculadora de selección de disipadores térmicos y calcula los números. Tarda unos 30 segundos y puede ahorrarle tener que volver a girar la placa entera si descubre el problema térmico antes de la fabricación en lugar de hacerlo después.