Guide de sélection d'un dissipateur thermique : Comment calculer la résistance thermique et dimensionner un dissipateur thermique

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

Chaque composant électrique produit de la chaleur. Régulateurs de tension, MOSFET, amplificateurs de puissance RF, pilotes LED : ils transforment tous l'énergie électrique en énergie thermique, et cette chaleur doit être acheminée quelque part. Chacun de ces composants a une température de jonction maximale ($T_{J(max)}$) indiquée sur sa fiche technique, et si vous la dépassez, la fiabilité tombe en flèche. Le travail du dissipateur thermique est simple : maintenir cette température de jonction en toute sécurité en dessous de la limite. Mais voici le truc : pour choisir le bon dissipateur thermique, il faut comprendre le trajet thermique complet entre la puce en silicium et l'air qui l'entoure.

J'ai vu cela mal tourner dans deux directions. Certains ingénieurs installent un énorme dissipateur thermique juste pour des raisons de sécurité, gaspillant ainsi de l'argent, du poids et de l'espace précieux sur la carte. D'autres le sous-dimensionnent, puis découvrent le problème lors des tests thermiques. Ou pire encore, ils le découvrent sur le terrain lorsque les unités commencent à échouer. Les calculs pour bien faire les choses ne sont pas compliqués. Il suffit de le faire réellement au lieu de deviner. C'est pourquoi le Heatsink Selection Calculator existe : il gère le calcul en quelques secondes afin que vous puissiez vous concentrer sur le fonctionnement réel de votre conception.

La chaîne de résistance thermique

La chaleur circule de la jonction semi-conductrice à travers une série de résistances thermiques. Imaginez-le comme des résistances en série : chaque interface ajoute de la résistance, et le total détermine la température de votre jonction. La résistance thermique totale entre la jonction et l'air ambiant est la suivante :

§ 0§

Décomposez cela :

-$\theta_{JC}$est la résistance thermique jonction-boîtier. Vous le trouverez dans la fiche technique des composants, généralement cachée dans la section des caractéristiques thermiques. -$\theta_{CS}$est la résistance thermique du boîtier au dissipateur thermique. Cela dépend entièrement de la manière dont vous montez la pièce et du matériau d'interface que vous utilisez entre le boîtier et le dissipateur thermique. -$\theta_{SA}$est la résistance du dissipateur thermique à la température ambiante. C'est la spécification que vous êtes en train de résoudre lorsque vous choisissez un dissipateur thermique.

L'équation fondamentale qui lie tout est la suivante :

§ 1§

Où$T_J$est la température de votre jonction,$T_A$est la température ambiante autour du dissipateur thermique et$P_D$est la puissance dissipée. Réorganisez ceci pour déterminer la résistance thermique maximale autorisée du dissipateur thermique :

C'est l'équation qui compte. Si vous ne trouvez pas de dissipateur thermique dont le$\theta_{SA}$est égal ou inférieur à cette valeur calculée, vous avez un problème. À ce stade, vous pouvez réduire la dissipation de puissance, abaisser la température ambiante d'une manière ou d'une autre, améliorer le matériau de votre interface thermique ou ajouter un flux d'air forcé à l'aide d'un ventilateur.

Exemple concret : régulateur linéaire dissipant 5 W

Passons en revue un exemple concret. Supposons que vous utilisiez un régulateur linéaire TO-220 pour réduire de 12 V à 5 V à 700 mA. Tout d'abord, calculez la dissipation de puissance :

Les régulateurs linéaires sont simples mais ils transforment toute cette différence de tension en chaleur. Consultez maintenant la fiche technique pour les spécifications thermiques :

-$T_{J(max)} = 125\,°\text{C}$— il s'agit de la note standard pour la plupart des pièces de qualité commerciale -$\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$— typique pour un package TO-220

Vous prévoyez d'utiliser un tampon thermique en silicone comme matériau d'interface, ce qui vous donne$\theta_{CS} = 0.5\,°\text{C/W}$. Dans le pire des cas, la température ambiante à l'intérieur de votre boîtier est de$50\,°\text{C}$, et non la température ambiante, car d'autres composants de votre boîtier produiront de la chaleur et il pourrait rester exposé au soleil ou dans un rack d'équipement chaud.

Intégrez le tout dans l'équation :

Vous avez donc besoin d'un dissipateur thermique classé$11.5\,°\text{C/W}$ou moins. Un dissipateur thermique TO-220 en aluminium estampé standard dans la plage de 8 à 10 °C/W fonctionnerait ici et vous donnerait une certaine marge. Vérifions la température de jonction réelle si vous utilisez un dissipateur thermique classé$10\,°\text{C/W}$:

§ 5

Cela vous donne une marge thermique de :

§ 6

La marge de 7,5 °C est-elle suffisante ? Cela dépend de votre candidature. Pour un environnement commercial bénin à température contrôlée, probablement oui. Mais si votre conception est confrontée à des vibrations, à des changements d'altitude, à une charge solaire occasionnelle ou à un fonctionnement prolongé à des températures ambiantes élevées, vous souhaiterez une plus grande hauteur libre. De nombreux ingénieurs passent au$T_{J(max)} = 100\,°\text{C}$dans ces situations, ce qui nécessiterait soit un dissipateur thermique nettement meilleur, soit une modification fondamentale de la conception, par exemple en passant à un convertisseur Buck au lieu de brûler 5 W en continu.

Comprendre les options d'évaluation de la température

Le calculateur propose trois limites de température de jonction courantes, et choisir la bonne est plus important que vous ne le pensez :

125 °C (standard) est la valeur nominale la plus courante pour les composants commerciaux et industriels. C'est ici que vous commencez pour la plupart des designs. C'est ce que le fabricant a testé et c'est ce qu'il garantit. 150 °C (haute température) apparaît sur les pièces de qualité automobile et sur certains composants conformes aux spécifications militaires. Cela vous donne une plus grande marge thermique, ce qui semble bien, mais ne supposez pas que vous pouvez utiliser ce chiffre. Consultez la fiche technique de votre pièce spécifique : tous les appareils ne sont pas conçus pour une température de 150 °C, même s'ils sont placés dans un boîtier à haute température. 100 °C (déclassé) est un choix technique conservateur qui s'avère rentable en termes de fiabilité. De nombreuses directives de fiabilité, notamment les normes MIL-HDBK-217 et Telcordia, recommandent de réduire la température de jonction de 25 °C ou plus en dessous du maximum absolu. Pourquoi ? Parce que faire fonctionner un refroidisseur réduit considérablement le temps moyen entre les pannes. En règle générale, chaque réduction de 10 °C de la température de jonction peut doubler la durée de vie prévue du composant. Si vous concevez un produit qui doit fonctionner pendant des années sans défaillance, ce déclassement n'est pas facultatif, c'est une assurance bon marché.

Choisir le bon$T_{J(max)}$est fondamentalement une décision de conception basée sur vos exigences de fiabilité, et pas simplement sur la base de la liste des spécifications comme note maximale absolue.

Pièges courants

Ignorer le$\theta_{CS}$est probablement l'erreur la plus courante que je rencontre. L'interface entre le boîtier du composant et le dissipateur thermique n'a pas de résistance nulle. Un contact métal sur métal nu sans aucun composé thermique peut facilement atteindre 1,0 à 2,0 °C/W pour un boîtier 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 selon l'épaisseur et la qualité. Tenez toujours compte de cette résistance dans vos calculs, car elle n'est pas négligeable lorsque vous essayez de réduire les performances d'une conception marginale. Utiliser le$\theta_{JA}$à air libre au lieu du$\theta_{JC}$annulera complètement vos calculs. Ce numéro$\theta_{JA}$sur la fiche technique suppose l'absence de dissipateur thermique et une configuration de carte de test très spécifique avec une zone de cuivre définie. C'est essentiellement inutile pour le dimensionnement des dissipateurs thermiques. Utilisez toujours le$\theta_{JC}$lorsque vous montez un dissipateur thermique, car il s'agit de la résistance thermique réelle entre la jonction en silicium et le boîtier ou la languette de montage du composant. Oublier que la température ambiante n'est pas de 25 °C dans le monde réel. Les fiches techniques testent tout à une température ambiante confortable. Un jour d'été, avec d'autres composants générant de la chaleur à proximité, votre boîtier peut facilement atteindre 50 à 70 °C. J'ai vu des modèles qui fonctionnaient parfaitement sur le banc échouer sur le terrain parce que personne n'avait pensé à un rack d'équipement chaud ou à la lumière directe du soleil sur un boîtier extérieur. Concevez toujours en fonction de la température ambiante la plus défavorable, et non des conditions de laboratoire. Négliger l'effet du débit d'air revient à négliger les performances. Les valeurs nominales du dissipateur thermique$\theta_{SA}$sont presque toujours spécifiées pour la convection naturelle, c'est-à-dire de l'air immobile. L'ajout d'un flux d'air forcé, même doux, à une vitesse de 1 à 2 m/s peut réduire de moitié ou mieux le$\theta_{SA}$. Si votre conception inclut déjà un ventilateur pour d'autres raisons, assurez-vous absolument d'utiliser la courbe nominale du dissipateur thermique correcte pour la convection forcée. La différence entre les performances de convection naturelle et forcée est énorme, et l'utilisation d'un mauvais chiffre signifie soit que vous surdimensionnez considérablement, soit que vous sous-concevez dangereusement.

Quand les chiffres ne fonctionnent pas

Parfois, vous exécutez le calcul et le$\theta_{SA}$requis est ridiculement bas, disons, inférieur à 2 °C/W, et aucun dissipateur thermique de taille raisonnable ne peut atteindre ce chiffre en convection naturelle. À ce stade, vous ne choisissez plus un dissipateur thermique, vous redessinez quelque chose de fondamental. Vos options sont les suivantes :

Ajoutez un flux d'air forcé pour améliorer considérablement les performances du dissipateur thermique. Même un petit ventilateur peut faire en sorte qu'un dissipateur thermique à 5 °C/W fonctionne comme un dissipateur thermique à 2 °C/W dans l'air calme. C'est souvent la solution la moins chère si vous avez de l'espace et pouvez tolérer le bruit et la consommation d'énergie. Réduisez la dissipation de puissance à la source. Passez à un convertisseur Buck au lieu d'un régulateur linéaire. Utilisez un MOSFET avec un$R_{DS(on)}$inférieur. Reconcevoir le circuit pour qu'il fonctionne à un courant plus faible. Parfois, le problème thermique vous indique que la topologie de votre circuit est fondamentalement inadaptée aux niveaux de puissance que vous essayez de gérer.

Répartissez la chaleur sur plusieurs appareils ou utilisez le cuivre du circuit imprimé comme dissipateur thermique. Les composants d'alimentation modernes dans des boîtiers à pastilles apparentes peuvent rejeter beaucoup de chaleur directement dans le circuit imprimé si vous concevez correctement la zone en cuivre. Cela ne remplacera pas un dissipateur thermique pour les modèles à haute puissance, mais cela peut réduire considérablement les besoins en dissipateur thermique. Utilisez une pièce mieux cotée avec un$\theta_{JC}$inférieur ou un$T_{J(max)}$supérieur. Les boîtiers plus grands présentent généralement de meilleures performances thermiques. Un TO-247 sera plus performant qu'un TO-220. Un composant conçu pour 150 °C au lieu de 125 °C vous donne une marge de manœuvre supplémentaire de 25 °C. Parfois, dépenser un dollar de plus pour un meilleur composant coûte moins cher que la complexité mécanique d'un énorme dissipateur thermique.

Le calculateur permet d'explorer rapidement ces compromis. Modifiez la dissipation de puissance, ajustez la température ambiante, essayez différentes limites de température de jonction et déterminez immédiatement la résistance thermique du dissipateur thermique dont vous avez besoin. C'est beaucoup plus rapide que de faire l'algèbre à la main chaque fois que vous voulez essayer un scénario différent.

Essayez-le

Arrêtez de deviner le choix du dissipateur thermique. Indiquez votre dissipation de puissance réelle, votre température ambiante dans le pire des cas et vos valeurs de résistance thermique. Découvrez instantanément si le choix de votre dissipateur thermique est suffisant ou si vous devez repenser la conception avant de vous lancer dans un prototype. Ouvrez le calculateur de sélection du dissipateur thermique et exécutez les chiffres. Cela prend environ 30 secondes et peut vous faire économiser une rotation complète de la carte lorsque vous découvrez le problème thermique avant la fabrication plutôt qu'après.