ヒートシンクのサイズ:必要な温度計算

ヒートシンクのサイズが重要な理由 (そしてエンジニアが間違う理由)

私は、誰かがヒートシンクに注目したり、実際の熱要件ではなくコストに基づいてヒートシンクを選んだりしたために、現場で多くの設計が失敗するのを見てきました。コンポーネントは高温で信頼性の高いタンクで稼働し、突然、5年間使用できるはずのフィールドサービスユニットに突如として対応することになります。計算はそれほど難しくなく、熱経路を体系的に考えるだけでよいので、イライラします。

基本的な考え方は簡単です。熱は、接合部（シリコンが実際に電力を放散する場所）から複数の熱抵抗を通って流れ、周囲の空気に到達するというものです。各界面には抵抗が加わります。ここでやるべきことは、接合部温度が最大定格以下に保たれるために必要なヒートシンクの熱抵抗を計算することです。

ほとんどのエンジニアはこのことを概念的には理解していますが、実際の計算は省略しています。ディストリビューターのカタログからヒートシンクをランダムに選ぶか、「大きいほど良い」と思い込むかのどちらかです。最初の方法は実際の動作条件では失敗することが多く、後者はコストと基板スペースを浪費します。電卓を使えば正しい方法でも 5 分ほどかかります。

熱抵抗経路

熱は一連のインターフェースを通って伝わり、各インターフェースには熱抵抗があります。直列の電気抵抗のようなものと考えてください。合計抵抗はすべての要素の合計です。

どこ:

• $\theta_{JC}$ は接合部とケースの間の抵抗です（チップに内蔵されているので変更できません）
• $\theta_{CA}$ はケースとヒートシンク間の抵抗 (インターフェースとサーマルコンパウンドによって異なります)
• $\theta_{SA}$ はヒートシンクと周囲との抵抗値 (実際に選択している値)
• $\theta_{JA}$ は接合部と周囲との合計抵抗値

その場合、接合部温度は次のようになります。

ここで、 $T_J$ は接合部温度、 $T_A$ は周囲温度、 $P_D$ はワット単位の電力損失です。

あなたの制約は、 $T_J$ が最大定格 (通常はデータシートに記載されている) 以下にとどまらなければならないということです。並べ替えると、許容される最大 $\theta_{JA}$ を解いてから、逆算して必要なヒートシンク抵抗を求めることができます。

実際の例:50W リニアレギュレータ

例えば、50Wの電力を消費するLDOまたはリニアレギュレータを使用して電源を設計しているとしましょう。これは、ドロップアウト電圧は許容できるが効率は重要ではないラボの電源や産業機器でよく見られる現象です。

お客様の仕様は以下のとおりです。

• 電力損失:50 W
• 最大接合部温度:150°C (最新のチップでは標準)
• 周囲温度:50°C (25°C ではない。エンクロージャーが温かくなると想定)
• ジャンクションからケースまでの抵抗 ($\theta_{JC}$): 0.5°C/W (データシートより)
• ケースからヒートシンクまでの抵抗 ($\theta_{CA}$): 0.1 °C/W (サーマルコンパウンド、標準マウント)

まず、許容温度上昇を計算します。

次に、最大許容総熱抵抗を求めます。

次に、固定抵抗を引いて、ヒートシンクが提供しなければならない値を求めます。

そのため、熱抵抗が1.4°C/W以上のヒートシンクが必要です。簡単に検索すると、定格1.2°C/Wの小さなアルミニウム押出成形品が条件を満たしていることがわかります。その部品をつかみ、サーマルコンパウンドを取り付ければ完了です。

このヒートシンクで実際の接合部温度を確認してみましょう。

パーフェクト。現在の温度は140°Cで、150°Cの制限値を下回っていますが、10°Cのマージンがあります。このマージンが、測定の不確かさやサーマルコンパウンドの用途のばらつきに対する安全係数になります。

よくある間違い (およびその回避方法)

ケースとヒートシンクのインターフェースを忘れる

これは大きな問題です。エンジニアはしばしば、ヒートシンクのデータシート値 ($\theta_{SA}$) だけが問題だと思い、インターフェース抵抗を無視します。しかし、サーマルコンパウンドは、それが安価なホワイトペーストであろうと、派手なグラファイトを詰めたものであろうと、常に抵抗を増大させます。一般的な値は0.05～0.2°C/Wで、コンパウンドの種類や塗布の仕方にもよりますが。計算でこれを省略すると、予想よりも10～20℃高くなることになります。

さらに悪いことに、安価なサーマルコンパウンドを使用したり、薄すぎたりすると、抵抗が2倍になる可能性があります。エンジニアが新鮮で高品質のコンパウンドを使用し、製造チームが売りに出されているものを手に入れて生産に失敗したため、ラボでうまく機能した設計を見たことがあります。

間違った周囲温度を使用する

ほとんどのデータシートは周囲温度が25℃と想定しています。デスクトップでは問題ありません。サーバールーム (多くの場合35～40°C)、夏季の屋外エンクロージャー (50～60°C)、または通気性の悪い密閉された産業用ボックス内 (周囲温度より20～30°C高くなる可能性がある) の機器には適していません。ヒートシンクの計算で 25°C と仮定していて、実際の環境が 50°C であれば、ジャンクション温度に 25°C を加えたことになります。これではマージンがなくなってしまいます。

これは実際にどこで運用されるのか、常に問いかけてみてください。最悪の環境とはどのようなものでしょうか？データシートの仮定ではなく、その数値を使用してください。

エアフローを無視する

ヒートシンクのデータシートには、特定の気流 (通常は自然対流 (0 m/s) または強制対流 (1 m/s や 2 m/s など) での性能が記載されていることがよくあります。風量が 1 m/s のヒートシンクを選び、ファンのない密閉ボックスに取り付けると、自然対流性能が得られますが、これははるかに悪い結果になります。熱抵抗は2～3倍高くなる可能性があります。

逆に、ファンがある場合は、パッシブ設計で必要となるヒートシンクよりも小さいヒートシンクを使用できます。ただし、単に「問題ない」と想定するのではなく、ファンが供給する実際の空気流量を知っておく必要があります。

熱抵抗と熱キャパシタンスの混同の問題

熱抵抗は定常状態での温度上昇を示します。熱キャパシタンス (ヒートシンクとコンポーネントの質量) から、定常状態にどれだけ早く到達できるかがわかります。それらは異なるものです。大型のアルミニウム製ヒートシンクは熱容量が大きく、熱くなるまでしばらく時間がかかります。小さなヒートシンクは熱容量が小さく、すぐにピーク温度に達します。連続運転では、熱抵抗だけが問題になります。過渡パルスの場合、静電容量も重要です。それらを混同しないでください。

経時的な劣化を考慮していない

サーマルコンパウンドは、特に高温では、長年の使用で乾燥したり劣化したりすることがあります。その熱伝導率は低下します。界面抵抗が増加します。初日に正常に動作したヒートシンクは、5 年後には 20 ～ 30% 劣化する可能性があります。マージンゼロで設計すると、現場での故障が発生することになります。常に安全マージンを考慮に入れてください。私は通常、計算されたピーク値と絶対最大定格値の間に少なくとも10〜15°Cを目標としています。

電卓をいつ使うべきか

ヒートシンク電卓 は、これらすべての計算を自動的に行います。コンポーネントのデータシートから、消費電力、接合部温度、周囲温度、固定熱抵抗値を入力できます。必要なヒートシンク抵抗が計算され、その結果得られる接合部温度が表示されます。接合部温度が高すぎる場合は、ヒートシンクの値を変えて (またはより優れた熱化合物) を試してみると、その影響をすぐに確認できます。

オプションを比較する場合に特に便利です。パッシブヒートシンクを使うべきか、それともファンを追加すべきか？より優れたサーマルコンパウンドに切り替えたらどうなるでしょうか？周囲温度が50°Cではなく60°Cの場合はどうなるでしょうか？各シナリオの数値を計算し、コスト、サイズ、信頼性のバランスが取れたものを選んでください。

熱抵抗ネットワーク図

凝ったものにしたいなら、これはサーマル回路と考えるといいでしょう。「電流」は電力 (ワット)、「電圧」は温度 (°C)、「抵抗」は熱抵抗 (°C/W) です。オームの法則は $\Delta T = P \times \theta$ になります。複数の平行な経路 (ヒートシンクを通って流れる熱と PCB を通る熱など) がある場合は、並列抵抗式を使用できます。ほとんどの単一コンポーネント設計ではこのような複雑さは必要ありませんが、複数の熱経路が問題となる高電力システムには便利です。

試してみてください

コンポーネントデータシートと動作環境仕様を入手してください。ヒートシンクカリキュレータを開いて、数値を入力します。推測する代わりに、2 分かけて数学を学びましょう。ヒートシンクに問題がないことを確認するか、ボードを注文して設計が 30°C 高すぎると気付く前に、ヒートシンクに問題がないことを確認するかのどちらかです。肝心なのは、熱に関する問題を現場ではなく設計段階で把握することです。