ヒートシンク選択ガイド:熱抵抗の計算方法とヒートシンクのサイズ設定

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

すべてのパワーコンポーネントは熱を発生させます。電圧レギュレータ、MOSFET、RF パワーアンプ、LED ドライバなど、これらはすべて電気エネルギーを熱エネルギーに変換しますが、その熱はどこかに行き渡らなければなりません。これらのコンポーネントにはすべて、データシートに最大接合温度 ($T_{J(max)}$) が記されており、それを超えると信頼性が飛躍的に上がります。ヒートシンクの役割は簡単です。接合部温度を限界値以下に安全に保つことです。しかし、ここで重要なのは、適切なヒートシンクを選択するということは、シリコンダイから周囲の空気に至るまでの完全な熱経路を実際に理解するということです。

私はこれが2つの方向でうまくいかないのを見てきました。エンジニアの中には、安全のためだけに巨大なヒートシンクを叩いてしまい、コスト、重量、貴重な基板スペースを無駄にしている人もいます。また、サイズを小さくして、熱試験中に問題を発見する人もいます。さらに悪いことに、ユニットが故障し始めた後に現場で発見されてしまいます。これを正しく行うための計算は複雑ではありません。推測するのではなく、実際にやってみればいいのです。そのため、ヒートシンク選択計算ツール が存在します。計算は数秒で処理されるため、設計が実際に機能するかどうかに集中できます。

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。直列に接続された抵抗のようなものと考えてください。各インターフェースに抵抗が追加され、その合計によって接合部の温度が決まります。接合部から周囲空気までの完全な熱抵抗は、次のようになります。

これを分解すると:

-$\theta_{JC}$は接合部とケースの間の熱抵抗です。これは部品データシートに記載されていますが、通常は熱特性のセクションに埋もれています。 -$\theta_{CS}$はケースとヒートシンクの間の熱抵抗です。これは、部品の取り付け方法と、パッケージとヒートシンクの間に使用するインターフェース材料によって大きく異なります。 -$\theta_{SA}$はヒートシンクと周囲との熱抵抗です。ヒートシンクを選ぶときには、この仕様を実際に解決することになります。

すべてを結びつける基本的な方程式は次のとおりです。

ここで、$T_J$は接合部温度、$T_A$はヒートシンク周辺の周囲温度、$P_D$は消費電力です。ヒートシンクの熱抵抗が最大許容値になるように再配置してください。これが重要な方程式です。この計算値以下の$\theta_{SA}$のヒートシンクが見つからない場合は、問題があります。その際の選択肢は、消費電力を抑えるか、何らかの方法で周囲温度を下げるか、サーマル・インターフェース・マテリアルを改善するか、ファンで強制的に空気を流すことです。

実際の例:5 W を消費するリニアレギュレータ

それでは、実際の例を見ていきましょう。例えば、TO-220 リニアレギュレータを使用して、700 mA で 12 V を 5 V まで下げたとします。まず、電力損失を計算します。

リニアレギュレータはシンプルですが、すべての電圧差を熱に変えます。次に、データシートで熱仕様を確認してください。

-$T_{J(max)} = 125\,°\text{C}$— これはほとんどの商用グレード部品の標準定格です -$\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$— TO-220パッケージの標準仕様

インターフェース素材としてシリコン製サーマルパッドを使用する予定で、$\theta_{CS} = 0.5\,°\text{C/W}$になります。エンクロージャー内の最悪の環境温度は$50\,°\text{C}$で、室温ではありません。ボックスには熱を発生させる他のコンポーネントが含まれており、太陽の下や高温の機器ラックに置かれる可能性があるためです。

すべてを次の式に代入してください。

そのため、定格が$11.5\,°\text{C/W}$以下のヒートシンクが必要です。8～10 °C/Wの範囲の標準型押しアルミ製TO-220ヒートシンクが適しており、ある程度の余裕があります。定格が$10\,°\text{C/W}$のヒートシンクを使用した場合の実際の接合部温度を確認しましょう。これにより、以下の熱マージンが得られます。7.5 °C のマージンは十分ですか？アプリケーションによって異なります。温度が制御された良性の商業環境では、おそらくそうです。ただし、設計で振動、高度の変化、時折発生する太陽負荷、または高い周囲温度での長時間の使用が見られる場合は、より広いヘッドルームが必要になります。そのような状況では、多くのエンジニアが$T_{J(max)} = 100\,°\text{C}$にディレーティングを行います。そのためには、大幅に優れたヒートシンクを使用するか、5Wを継続的に消費する代わりにバックコンバータに切り替えるなど、根本的な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 3 つの一般的な接合部温度制限があり、適切なものを選ぶことは想像以上に重要です。

125°C（標準）は、商用および産業グレードのコンポーネントの最も一般的な定格です。ほとんどの設計では、ここから始めることになります。これはメーカーがテストしたものであり、保証するものです。 150 °C (高温) は、自動車グレードの部品や一部の軍用仕様の部品に該当します。これによりサーマル・ヘッドルームが広くなり、素晴らしいように聞こえますが、この数値を使えると思い込まないでください。特定の部品のデータシートを確認してください。高温パッケージに入っていても、すべてのデバイスの定格温度が 150 °C というわけではありません。 100 °C (ディレーティング) は保守的なエンジニアリング上の選択であり、信頼性という点では見返りがあります。MIL-HDBK-217規格やTelcordia規格を含む多くの信頼性ガイドラインでは、接合部温度を絶対最大値より25°C以上低く抑えることを推奨しています。その理由は？冷却温度を下げると、平均故障間隔が劇的に改善されるからです。大まかな目安としては、接合部温度が 10 °C 低下するごとに、コンポーネントの予想寿命が 2 倍になります。故障せずに何年も稼働させる必要があるものを設計する場合、このディレーティングはオプションではなく、安価な保険です。

適切な$T_{J(max)}$を選択することは、データシートに絶対最大定格として記載されているものだけでなく、基本的には信頼性要件に基づいた設計上の決定です。

よくある落とし穴

$\theta_{CS}$を無視することは、おそらく私が目にする最も一般的な間違いです。 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一切含まない裸の金属同士の接触は、TO-220パッケージでは容易に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まで下げますが、ドライ・サーマル・パッドは厚みや品質によっては0.5～1.0°C/Wになることがあります。限界設計から性能を引き出そうとする場合には、この抵抗は無視できないため、計算には常にこの抵抗を考慮に入れてください。 $\theta_{JC}$の代わりにフリーエア$\theta_{JA}$を使用すると、計算が完全に台無しになります。 データシートにある$\theta_{JA}$の数値は、ヒートシンクがなく、銅面積が定義された非常に特殊なテストボードレイアウトであることを前提としています。ヒートシンクのサイズ決定には基本的に役に立ちません。ヒートシンクを取り付けるときは、必ず$\theta_{JC}$を使用してください。これは、シリコン接合部からコンポーネントのケースまたは取り付けタブまでの実際の熱抵抗だからです。 周囲温度が現実世界では25℃ではないことを忘れてしまいます データシートでは、あらゆるものを快適な室温でテストしています。夏の日に、近くに他のコンポーネントが熱を発生させている実際のエンクロージャーは、50～70 °Cに達しがちですが、ベンチで完璧に機能する設計が、高温の機器ラックや屋外のエンクロージャーに直射日光が当たっていることを誰も考慮していなかったため、現場で失敗するのを見たことがあります。実験室の条件ではなく、常に実際の最悪の場合の周囲温度に合わせて設計してください。 エアフローの影響を無視すると、性能が左右されます。 ヒートシンク$\theta_{SA}$の定格は、ほとんどの場合、自然対流、つまり静止空気について規定されています。1～2 m/sの穏やかな強制空気流を加えるだけでも、$\theta_{SA}$を半分またはそれ以上に削減できます。他の理由ですでに設計にファンが組み込まれている場合は、強制対流に適したヒートシンク定格曲線を使用していることを必ず確認してください。自然対流性能と強制対流性能には大きな違いがあり、間違った数値を使用すると、設計を大幅に超過するか、危険なほど設計不足に陥ることになります。

数字が通用しないとき

計算を実行すると、必要な$\theta_{SA}$が途方もなく低く（たとえば2°C/W未満）、自然対流で適度なサイズのヒートシンクがその数値に達しないことがあります。その時点で、もうヒートシンクを選ぶわけではなく、何か根本的なことを再設計していることになります。選択肢は以下のとおりです。

**強制エアフローを追加してヒートシンクの性能を劇的に向上させましょう。小さなファンでも、5 °C/W のヒートシンクを静止空気中の 2 °C/W ヒートシンクのように動作させることができます。スペースに余裕があり、ノイズと消費電力に耐えられる場合は、これが最も安価な解決策であることが多いです。

電源側での電力消費を減らす。リニアレギュレータの代わりにバックコンバータに切り替えてください。$R_{DS(on)}$の低いMOSFETを使用してください。より低い電流で動作するように回路を再設計してください。熱の問題によって、回路のトポロジーが処理しようとしている電力レベルに対して根本的に間違っていることがわかることがあります。

熱を複数のデバイスに分散するか、PCB銅をヒートシンクとして使用してください。銅部分を適切に設計すれば、パッドが露出したパッケージに収められた最新のパワーコンポーネントは、大量の熱をPCBに直接放出する可能性があります。これは高電力設計のヒートシンクの代わりにはなりませんが、ヒートシンクの必要量を大幅に減らすことができます。 $\theta_{JC}$より低い、または$T_{J(max)}$より高い、定格の高い部品を使用する。一般に、パッケージが大きいほど熱性能が良くなります。TO-247はTO-220よりも優れた性能を発揮します。定格が 125 °C ではなく 150 °C のコンポーネントを使用すると、ヘッドルームが 25 °C 広くなります。巨大なヒートシンクの機械的な複雑さよりも、より優れた部品に余分に1ドルを費やす方が安い場合もあります。

この計算ツールを使うと、こうしたトレードオフを素早く簡単に調べることができます。電力損失を変えたり、周囲温度を調整したり、接合部温度の限界値を変えたりして、必要なヒートシンクの熱抵抗をすぐに確認できます。別のシナリオを試すたびに手動で代数演算を行うよりもはるかに高速です。

やってみよう

ヒートシンクの選択を推測するのはやめましょう。実際の消費電力、実際のワーストケースの周囲温度、熱抵抗値を計算してください。ヒートシンクの選択に十分な余裕があるかどうか、またはプロトタイプに取り掛かる前に設計を再考する必要があるかどうかを即座に確認できます。ヒートシンク選択計算機を開いて、数値を実行してください。30 秒ほどかかり、製造後ではなく製造前に熱問題を発見した場合に、基板全体を再スピンする手間を省くことができます。