ヒートシンクのサイズを正しく設定する方法:すべてのエンジニアが知っておくべき熱抵抗の数式

ヒートシンクの選択が「大きいものを選ぶ」だけではない理由

電圧レギュレータ、MOSFET、RF パワーアンプ、LED ドライバなど、すべてのパワーコンポーネントが熱を発生させます。そして、これらのコンポーネントにはすべて最大接合温度 (「MATHINLINE_7」) があり、それを超えると信頼性が大幅に低下します。ヒートシンクの役割は、接合部温度を安全にその限界以下に保つことですが、適切なヒートシンクを選択するには、シリコンダイから周囲の空気までの熱経路全体を理解する必要があります。

エンジニアは多くの場合、巨大なヒートシンクのスペックをオーバースペックにしたり (コスト、重量、基板スペースを浪費する)、スペックを下げて熱試験中、あるいはさらに悪いことに現場で問題を発見したりします。計算は難しくありません。必要なのは計算だけです。それこそまさに [ヒートシンク選択計算機を開く] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) が作られている目的です。

熱抵抗チェーン

熱は半導体接合部から一連の熱抵抗を通って流れます。これは直列の電気回路の抵抗器に似ています。接合部から周囲温度までの熱抵抗の合計は、次のようになります。

「MATHBLOCK_0」

どこ:

-「MATHINLINE_8」— ジャンクションとケース間の熱抵抗 (データシートより) -「MATHINLINE_9」— ケースとヒートシンク間の熱抵抗 (取り付け方法とインターフェース材料により異なります) -「MATHINLINE_10」— ヒートシンクと周囲との熱抵抗 (求めている仕様)

基本的な熱方程式は次のとおりです。

「マスブロック_1」

ヒートシンクの最大許容熱抵抗を求めるための再配置:

「MATHBLOCK_2」

これがコア計算です。「MATHINLINE_11」がこの値以下のヒートシンクが見つからない場合は、電力損失を減らすか、周囲温度を下げるか、界面材料を改善するか、強制気流を追加する必要があります。

実際の例:5 W を消費するリニアレギュレータ

例えば、700mAで12Vから5Vに低下するTO-220リニアレギュレータを使用しているとしましょう。電力損失は次のようになります。

「マスブロック_3」

データシートから:

-「マチンライン_12」(標準評価) -「マチンライン_13」

インターフェースにシリコンのサーマルパッドを使っているので、「MATHINLINE_14」です。エンクロージャー内の最悪の場合の周囲温度は「MATHINLINE_15」です。

次の式に代入すると、

「MATHBLOCK_4」

そのため、「MATHINLINE_16」以下の定格のヒートシンクが必要です。8～10 °C/Wの範囲の標準の型押しアルミニウム製TO-220ヒートシンクでも動作し、ある程度の余裕があります。

それでは、定格が「MATHINLINE_17」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。

「MATHBLOCK_5」

これにより、熱マージンは次のようになります。

「MATHBLOCK_6」

7.5°Cのマージンは十分ですか？良性の商業環境であれば、おそらくそうでしょう。振動、高度、または時折発生する太陽負荷が加わるような設計では、さらに多くの荷重が必要になり、「MATHINLINE_18」にディレートを下げることもできます。その場合は、大幅に改良されたヒートシンクまたは設計変更が必要になります。

定格温度オプションの理解

この計算ツールには、次の 3 つの一般的な接合部温度制限があります。

-125 °C (標準) — 商用および工業グレードの部品で最も一般的な定格です。ほとんどの設計では、これがデフォルトの出発点です。 -150 °C (高温) — 自動車グレードおよび一部の軍事部品に使用されています。サーマルヘッドルームは広くなりますが、お手持ちの特定の部品がサーマルヘッドルームに適合していない限り、この数値は使用しないでください。 -100 °C (ディレーティング) — 保守的なエンジニアリング上の選択です。多くの信頼性ガイドライン (MIL-HDBK-217 や Telcordia を含む) では、接合部温度を 25 °C 以上下げることを推奨しています。冷却器を使用するとMTBFが劇的に向上します。大まかな目安として、接合部温度が10°C低下するごとに部品の寿命が2倍になります。

適切な「MATHINLINE_19」を選択するかどうかは、データシートの絶対最大値だけでなく、信頼性要件にも依存する設計上の決定事項です。

よくある落とし穴

「MATHINLINE_20」は無視してください。 コンポーネントケースとヒートシンクの間のインターフェースはゼロ抵抗ではありません。サーマルコンパウンドを含まない裸の金属同士の接触は、TO-220では1.0～2.0℃/Wになることがあります。サーマルグリスはこれを0.3～0.5 °C/Wまで下げ、乾いたサーマルパッドでは0.5～1.0 °C/Wになる場合がありますが、常にこの点を考慮に入れてください。 「MATHINLINE_22」の代わりにフリーエアの「MATHINLINE_21」を使用しています。 データシートの「MATHINLINE_23」の数字は、ヒートシンクがなく、特定のテストボードがあることを前提としています。ヒートシンクの計算には役に立ちません。常に「MATHINLINE_24」を使用してください。

周囲温度が25°Cではないことを忘れてください データシートは25°Cでテストされています。夏の日、他のコンポーネントが近くで熱を発生させているエンクロージャーは、50〜70°Cになる場合があります。実際の最悪の環境に合わせて設計してください。 空気の流れは無視してください ヒートシンク「MATHINLINE_25」定格は通常、自然対流を対象としています。穏やかな強制風流 (1～2 m/s) を加えるだけでも、「MATHINLINE_26」を半分に減らすことができます。設計にファンが含まれている場合は、正しいヒートシンク定格曲線を使用していることを確認してください。

数字が合わないとき

必要な「MATHINLINE_27」が非常に低く (たとえば 2 °C/W 未満)、自然対流では適度なサイズのヒートシンクがこれに達しないことがあります。その時点での選択肢は以下のとおりです。

1.強制エアフローを追加すると、ヒートシンクのパフォーマンスが大幅に向上します。 2.消費電力の削減 — スイッチングレギュレータに切り替えるか、より低い「MATHINLINE_28」MOSFETを使用するか、回路を再設計してください。 3.熱を複数のデバイスまたはより広いPCBの銅面積に分散させる。 4.「MATHINLINE_29」が低い、または「MATHINLINE_30」よりも高い、より定格の高い部品を使用する。

計算機を使うと、これらのトレードオフを素早く簡単に試すことができます。

試してみてください

実際の消費電力、周囲温度、熱抵抗の値を入力すれば、選択したヒートシンクに十分な余裕があるかどうか、あるいは設計を見直す必要があるかどうかがすぐにわかります。[ヒートシンク・セレクション・カリキュレータを開いて] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/)、次のプロトタイプ・スピンの前に数値を実行してください。30 秒かかり、ボードをリスピンする手間を省くことができます。