Comment dimensionner correctement un dissipateur thermique : mathématiques de résistance thermique que tout ingénieur devrait connaître

Pourquoi la sélection d'un dissipateur thermique ne se limite pas à « en choisir un gros »

Chaque composant d'alimentation (régulateurs de tension, MOSFET, amplificateurs de puissance RF, pilotes LED) génère de la chaleur. Et chacun de ces composants possède une température de jonction maximale (« MATHINLINE_7 ») au-delà de laquelle la fiabilité chute. Le travail d'un dissipateur thermique est de maintenir la température de jonction en toute sécurité en dessous de cette limite, mais pour choisir le bon dissipateur thermique, il faut comprendre l'ensemble du trajet thermique entre la puce en silicium et l'air ambiant.

Trop souvent, les ingénieurs surdimensionnent un énorme dissipateur thermique (perte de coûts, de poids et d'espace sur la carte) ou sous-spécifications et découvrent le problème lors des tests thermiques, ou pire encore, sur le terrain. Le calcul n'est pas difficile ; il suffit de le faire. C'est exactement pour cela que [ouvrez le calculateur de sélection du dissipateur thermique] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) est conçu.

La chaîne de résistance thermique

La chaleur circule de la jonction semi-conductrice à travers une série de résistances thermiques, analogues aux résistances d'un circuit électrique en série. La résistance thermique totale entre la jonction et la température ambiante est de :

« MATHBLOCK_0 »

Où :

• « MATHINLINE_8 » — Résistance thermique jonction-boîtier (extrait de la fiche technique)
• « MATHINLINE_9 » — Résistance thermique du boîtier au dissipateur thermique (dépend de la méthode de montage et du matériau d'interface)
• « MATHINLINE_10 » — Résistance du dissipateur thermique à la température ambiante (la spécification que vous recherchez)

L'équation thermique fondamentale est la suivante :

« MATHBLOCK_1 »

Réorganisation pour trouver la résistance thermique maximale autorisée du dissipateur thermique :

« MATHBLOCK_2 »

Il s'agit du calcul de base. Si vous ne trouvez pas de dissipateur thermique avec « MATHINLINE_11 » égal ou inférieur à cette valeur, vous devez réduire la dissipation de puissance, abaisser la température ambiante, améliorer le matériau de l'interface ou ajouter un flux d'air forcé.

Exemple concret : régulateur linéaire dissipant 5 W

Supposons que vous utilisiez un régulateur linéaire TO-220 passant de 12 V à 5 V à 700 mA. La dissipation de puissance est la suivante :

« MATHBLOCK_3 »

Extrait de la fiche technique :

• « MATHINLINE_12 » (évaluation standard)
• « MATHINLINE_13 »

Vous utilisez un tampon thermique en silicone comme interface, donc « MATHINLINE_14 ». Dans le pire des cas, la température ambiante à l'intérieur de l'enceinte est « MATHINLINE_15 ».

En rentrant dans l'équation :

« MATHBLOCK_4 »

Vous avez donc besoin d'un dissipateur thermique d'une classe « MATHINLINE_16 » ou inférieure. Un dissipateur thermique TO-220 en aluminium estampé standard dans une plage de 8 à 10 °C/W fonctionnerait et vous donnerait une certaine marge.

Vérifions maintenant la température de jonction réelle à l'aide d'un dissipateur thermique évalué à « MATHINLINE_17 » :

« MATHBLOCK_5 »

Cela donne une marge thermique de :

« MATHBLOCK_6 »

La marge de 7,5 °C est-elle suffisante ? Pour un environnement commercial favorable, probablement oui. Pour une conception qui tient compte des vibrations, de l'altitude ou d'une charge solaire occasionnelle, vous en voudriez plus. Vous pourriez passer à « MATHINLINE_18 », ce qui nécessiterait un dissipateur thermique nettement meilleur ou une modification de conception.

Comprendre les options d'évaluation de la température

Le calculateur propose trois limites de température de jonction courantes :

• 125 °C (standard) — La valeur nominale la plus courante pour les pièces commerciales et industrielles. Il s'agit du point de départ par défaut pour la plupart des designs.
• 150 °C (haute température) — Présent sur les pièces de qualité automobile et sur certaines pièces militaires. Vous donne une plus grande marge thermique, mais n'utilisez pas ce chiffre à moins que votre pièce spécifique ne soit conçue pour cela.
• 100 °C (déclassé) — Un choix technique conservateur. De nombreuses directives de fiabilité (notamment la norme MIL-HDBK-217 et Telcordia) recommandent de réduire la température de jonction de 25 °C ou plus. Le fonctionnement du refroidisseur améliore considérablement le MTBF : en règle générale, chaque réduction de 10 °C de la température de jonction peut doubler la durée de vie du composant.

Choisir le bon « MATHINLINE_19 » est une décision de conception qui dépend de vos exigences de fiabilité, et pas seulement du maximum absolu de la fiche technique.

Pièges courants

Ignorer « MATHINLINE_20 » . L'interface entre le boîtier du composant et le dissipateur thermique n'a pas de résistance nulle. Un contact métal sur métal nu sans composé thermique peut être de 1,0 à 2,0 °C/W pour un TO-220. La graisse thermique réduit cette température à 0,3 à 0,5 °C/W, et un tampon thermique sec peut atteindre 0,5 à 1,0 °C/W. Tenez-en toujours compte. Utiliser « MATHINLINE_21 » à air libre au lieu de « MATHINLINE_22 » . Le numéro « MATHINLINE_23 » sur une fiche technique suppose l'absence de dissipateur thermique et une carte de test spécifique. Cela ne sert à rien pour les calculs des dissipateurs thermiques. Utilisez toujours « MATHINLINE_24 ».

Oublier que la température ambiante n'est pas de 25 °C. Les fiches techniques testent à 25 °C. Votre boîtier, un jour d'été, alors que d'autres composants génèrent de la chaleur à proximité, peut être à une température de 50 à 70 °C. Concevez-le en fonction de votre pire scénario. Négliger le débit d'air. Les caractéristiques nominales du dissipateur thermique « MATHINLINE_25 » sont généralement spécifiées pour la convection naturelle. L'ajout d'un flux d'air forcé, même doux (1 à 2 m/s), peut réduire de moitié le « MATHINLINE_26 ». Si votre conception inclut un ventilateur, assurez-vous d'utiliser la courbe nominale du dissipateur thermique correcte.

Quand les chiffres ne fonctionnent pas

Parfois, le « MATHINLINE_27 » requis est très bas, par exemple inférieur à 2 °C/W, et aucun dissipateur thermique de taille raisonnable ne peut l'atteindre en convection naturelle. À ce stade, les options qui s'offrent à vous sont les suivantes :

1. Ajoutez un flux d'air forcé pour améliorer considérablement les performances du dissipateur thermique.
2. Réduisez la dissipation de puissance : passez à un régulateur de commutation, utilisez un MOSFET « MATHINLINE_28 » inférieur ou remaniez le circuit.
3. Répartissez la chaleur sur plusieurs appareils ou sur une plus grande surface en cuivre du circuit imprimé.
4. Utilisez une pièce mieux cotée avec un « MATHINLINE_29 » inférieur ou un « MATHINLINE_30 » supérieur.

La calculatrice permet de jouer rapidement avec ces compromis.

Essayez-le

Entrez vos valeurs réelles de dissipation de puissance, de température ambiante et de résistance thermique et voyez instantanément si votre choix de dissipateur thermique offre une marge suffisante ou si vous devez en repenser la conception. [Ouvrez le calculateur de sélection du dissipateur thermique] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) et exécutez les chiffres avant la prochaine rotation de votre prototype. Cela prend 30 secondes et peut vous faire économiser un tour de table.