Cómo predecir la temperatura de las uniones antes de que la placa se sobrecaliente: explicación de las redes de resistencia térmica

Por qué son importantes las redes de resistencia térmica

Todos los semiconductores tienen una temperatura de unión máxima: si se supera, se produce una degradación del rendimiento, una vida útil reducida o un fallo total. La hoja de datos indica$T_{J(max)}$, normalmente 125 °C o 150 °C, pero la verdadera pregunta es: * ¿cuál será realmente la temperatura de unión en su sistema? *

Ahí es donde entra en juego la red de resistencia térmica. Es el modelo de analogía eléctrica que permite predecir la temperatura de las uniones a partir de la disipación de energía y una cadena de resistencias térmicas, al igual que la ley de Ohm, pero para el calor. Si alguna vez elegiste un disipador térmico por instinto y esperaste lo mejor, este enfoque reemplaza la esperanza por las matemáticas.

La cadena de resistencia térmica

El calor fluye desde la unión del semiconductor a través de una serie de resistencias térmicas hasta el entorno ambiental. El modelo estándar lo divide en tres segmentos:

Dónde:

-$P_D$es la potencia disipada en el dispositivo (vatios) -$\theta_{JC}$es la resistencia térmica de unión a caja (°C/W), establecida por el paquete y la unión del troquel -$\theta_{CS}$es la resistencia térmica entre la carcasa y el disipador térmico (°C/W), determinada por el material de interfaz térmica (TIM) -$\theta_{SA}$es la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente (°C/W), una propiedad del disipador térmico y del flujo de aire -$T_A$es la temperatura ambiente (°C)

La resistencia total entre la unión y el ambiente es simplemente la suma:

Se trata de una red en serie: el calor solo tiene un camino. Cada resistencia crea una caída de temperatura proporcional a la potencia que fluye a través de ella, al igual que las caídas de voltaje en las resistencias en serie.

Temperaturas intermedias

La belleza del modelo de red es que puede calcular la temperatura en cada interfaz, no solo en la unión. Trabajando desde la temperatura ambiente hacia la unión:

Esto tiene un valor incalculable durante la validación: puedes colocar un termopar en el disipador térmico o en la carcasa y comprobar si la realidad coincide con tu modelo. Si el valor de$T_{HS}$es superior al previsto, significa que el disipador térmico tiene un rendimiento inferior (es posible que el flujo de aire esté bloqueado). Si$T_C$es más alto de lo esperado en relación con$T_{HS}$, significa que la interfaz térmica tiene un problema.

Ejemplo resuelto: un regulador de voltaje de 10 W

Supongamos que está diseñando una fuente de alimentación con un LDO que disipa 10 W en un paquete TO-220. Debe determinar si el disipador térmico elegido mantiene la unión por debajo de 150 °C en el peor de los casos, a una temperatura ambiente de 70 °C.

Valores dados: -$P_D = 10\,\text{W}$-$\theta_{JC} = 1.5\,\text{°C/W}$(de la hoja de datos) -$\theta_{CS} = 0.5\,\text{°C/W}$(almohadilla térmica con clip de montaje) -$\theta_{SA} = 4.0\,\text{°C/W}$(disipador de aluminio extruido, convección natural) -$T_A = 70\,\text{°C}$Cálculo: Margen térmico hasta 150 °C: Por lo tanto, la unión alcanza los 130 °C, técnicamente dentro de las especificaciones, pero con un margen de solo 20 °C. Esta rigidez resulta incómoda para un diseño de producción en el que se observan variaciones de una unidad a otra en cuanto a la aplicación TIM, el par de montaje del disipador térmico y el flujo de aire local. En la práctica, me gustaría tener un margen de al menos entre 20 y 30 °C, por lo que este diseño está en el límite.

Ahora consideremos el mismo diseño a 25 °C de temperatura ambiente (pruebas de laboratorio):

Cuando está sentado en el banco, parece perfectamente cómodo. Precisamente por eso siempre hay que analizar el entorno en el peor de los casos. Un diseño que se siente frío a 25 °C puede estar al borde del fracaso a 70 °C.

Dificultades comunes

Haciendo caso omiso de$\theta_{CS}$: Los ingenieros suelen pasar de$\theta_{JC}$a$\theta_{SA}$y olvidan la resistencia de la interfaz. El contacto seco entre un TO-220 y un disipador térmico puede oscilar entre 1,0 y 2,0 °C/W. Con grasa térmica, la temperatura desciende a entre 0,3 y 0,5 °C/W. A 10 W, hay una diferencia de 5 a 15 °C en la unión. Utilizando$\theta_{JA}$de la hoja de datos: El valor$\theta_{JA}$de una hoja de datos se mide en una placa de prueba estandarizada (normalmente JEDEC). *No* representa su PCB, su carcasa o su flujo de aire. Construya siempre la red a partir de las resistencias individuales. Olvidando la reducción de potencia: Muchos fabricantes especifican la fiabilidad en$T_{J(max)} = 150\,\text{°C}$, pero la vida útil se degrada exponencialmente con la temperatura. El modelo Arrhenius sugiere que cada aumento de 10 °C reduce aproximadamente a la mitad la vida útil de los componentes. Funcionar a 130 °C en lugar de a 110 °C tiene consecuencias reales de fiabilidad.

Cómo elegir el$\theta_{SA}$correcto

La resistencia entre el disipador de calor y el ambiente suele ser el término dominante y sobre el que tienes más control. Algunos valores típicos de referencia:

Si su margen térmico es insuficiente, reducir el$\theta_{SA}$(eligiendo un disipador más grande o añadiendo flujo de aire) suele ser la palanca más práctica.

¿Cuándo usar esta calculadora

Debe realizar este análisis cada vez que esté disipando más de uno o dos vatios, o cuando la temperatura ambiente supere los 40 °C. Entre los escenarios específicos se incluyen:

• Selección de un disipador térmico para un regulador lineal, un MOSFET o un amplificador de potencia
• Verificación del margen térmico en múltiples especificaciones de temperatura ambiente (25 °C, 40 °C, 70 °C, 85 °C)
• Solución de problemas en una placa en la que los componentes se sobrecalientan
• Comparación de los materiales de la interfaz térmica
• Documentar el análisis térmico para una revisión del diseño

La calculadora le permite analizar la temperatura ambiente según las condiciones estándar (ambiente (25 °C), cálida (40 °C), caliente (70 °C) y especificación máxima (85 °C), para que pueda ver la imagen completa en segundos.

Pruébalo

Conecta las resistencias térmicas y la disipación de energía del dispositivo y comprueba al instante la temperatura de las conexiones, la carcasa y el disipador térmico en diferentes condiciones ambientales. Olvídate de perder el tiempo con las hojas de cálculo: [abre la calculadora de redes de resistencia térmica] (https://rftools.io/calculators/thermal/thermal-resistance-network/) y comprueba que tu diseño térmico tiene el margen que necesita antes de girar la pizarra.