히트싱크의 크기를 올바르게 조정하는 방법: 모든 엔지니어가 알아야 할 열 저항 수학

히트싱크 선택이 단순히 “큰 것을 고르는 것”이 아닌 이유

전압 조정기, MOSFET, RF 전력 증폭기, LED 드라이버 등 모든 전력 부품은 열을 발생시킵니다.그리고 이러한 모든 구성 요소의 최대 접합 온도 (“MATHINLINE_7") 를 초과하면 신뢰성이 떨어집니다.히트싱크의 역할은 접합 온도를 해당 한계 이하로 안전하게 유지하는 것이지만, 올바른 히트싱크를 선택하려면 실리콘 다이에서 주변 공기까지의 전체 열 경로를 이해해야 합니다.

엔지니어는 대용량 히트싱크의 사양을 초과하여 (비용, 무게 및 보드 공간 낭비) 하거나 사양이 미달되어 열 테스트 중에 문제를 발견하는 경우가 많습니다. 더 나쁜 경우에는 현장에서 말이죠.수학은 어렵지 않습니다. 그냥 풀기만 하면 됩니다.이것이 바로 [히트싱크 선택 계산기 열기] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) 가 만들어진 용도입니다.

열 저항 체인

열은 반도체 접합부에서 일련의 열 저항을 통해 흐르는데, 이는 직렬 전기 회로의 저항기와 유사합니다.접합부에서 주변 환경까지의 총 열 저항은 다음과 같습니다.

“매스블록_0"

장소:

• “MATHINLINE_8” — 접합부 간 열 저항 (데이터시트 참조)
• “MATHINLINE_9" — 케이스-히트싱크 간 열 저항 (장착 방법 및 인터페이스 재질에 따라 다름)
• “MATHINLINE_10" — 히트싱크와 주변 온도 사이의 열 저항 (해결하려는 사양)

기본 열 방정식은 다음과 같습니다.

“매스블록_1"

최대 허용 히트싱크 열 저항을 구하기 위한 재배치:

“매스블록_2"

이것이 핵심 계산입니다.“MATHINLINE_11"이 이 값 이하인 히트싱크를 찾을 수 없는 경우 전력 소비를 줄이거나 주변 온도를 낮추거나 인터페이스 재료를 개선하거나 강제 공기 흐름을 추가해야 합니다.

작업 예: 5W를 소비하는 선형 레귤레이터

700mA에서 12V에서 5V까지 떨어지는 TO-220 선형 레귤레이터를 사용한다고 가정해 보겠습니다.전력 손실은 다음과 같습니다.

“매스블록_3"

데이터시트에서:

• “MATHINLINE_12" (표준 등급)
• “수학_13"

실리콘 써멀 패드를 인터페이스로 사용하고 있으니 “MATHINLINE_14"입니다.케이스 내부의 최악의 주변 온도는 “MATHINLINE_15"입니다.

방정식에 대입하면 다음과 같습니다.

“매스블록_4"

따라서 “MATHINLINE_16" 이하 등급의 히트싱크가 필요합니다.8-10°C/W 범위의 표준 스탬프가 찍힌 알루미늄 TO-220 히트싱크를 사용해도 작동하므로 어느 정도 여유를 확보할 수 있습니다.

이제 “MATHINLINE_17" 등급의 히트싱크를 사용하여 실제 접합 온도를 확인해 보겠습니다.

“매스블록_5"

이는 다음과 같은 열 마진을 제공합니다.

“매스블록_6"

마진이 7.5°C이면 충분한가요?온건한 상업 환경에서는 아마도 그럴 것입니다.진동, 고도 또는 때때로 태양광 부하를 받는 설계의 경우 더 많은 것이 필요할 수 있습니다. 하지만 “MATHINLINE_18"을 선택할 수도 있습니다. 이를 위해서는 훨씬 더 나은 방열판이나 설계 변경이 필요합니다.

온도 등급 옵션에 대한 이해

계산기는 세 가지 일반적인 접합 온도 제한을 제공합니다.

• 125°C (표준) — 상업용 및 산업용 부품에 대한 가장 일반적인 등급입니다.이것이 대부분의 설계의 기본 시작점입니다.
• 150°C (고온) — 자동차 등급 및 일부 군용 부품에 사용됩니다.열 헤드룸을 더 많이 제공하지만 특정 부품에 적합한 등급이 아닌 한 이 번호는 사용하지 마십시오.
• 100°C (경감) — 보수적인 엔지니어링 선택.많은 신뢰성 지침 (MIL-HDBK-217 및 Telcordia 포함) 에서는 접합 온도를 25°C 이상 낮출 것을 권장합니다.냉각기를 사용하면 MTBF가 크게 향상됩니다. 경험상 접합 온도가 10°C 낮아질 때마다 구성품의 수명이 두 배로 늘어납니다.

올바른 “MATHINLINE_19"를 선택하는 것은 데이터시트의 절대 최대값뿐만 아니라 신뢰성 요구 사항에 따라 결정되는 설계 결정입니다.

흔히 범하는 함정

"MATHINLINE_20"은 무시하십시오. 부품 케이스와 히트싱크 사이의 인터페이스는 제로 저항이 아닙니다.TO-220 모델의 경우 써멀 컴파운드가 없는 베어 메탈 대 금속 접점은 1.0—2.0°C/W일 수 있습니다.열 그리스를 사용하면 온도가 0.3—0.5°C/W까지 낮아지고 건식 써멀 패드를 사용할 경우 0.5—1.0°C/W가 될 수 있으므로 항상 이 점을 염두에 두십시오. “ MATHINLINE_22" 대신 자유 공기 “MATHINLINE_21"을 사용합니다. 데이터시트의 “MATHINLINE_23" 번호는 히트싱크가 없고 특정 테스트 보드를 사용하는 것으로 가정합니다.히트싱크 계산에는 쓸모가 없습니다. 항상 “MATHINLINE_24"를 사용하십시오.

주변 환경이 25°C가 아니라는 사실을 잊어버리십시오. 데이터시트는 25°C에서 테스트합니다. 여름날 근처에 열을 발생시키는 다른 구성 요소가 있는 인클로저는 50~70°C일 수 있습니다. 실제 최악의 환경을 고려하여 설계하십시오. 공기 흐름을 무시합니다. 히트싱크 “MATHINLINE_25" 등급은 일반적으로 자연 대류에 대해 지정됩니다.공기 흐름을 약하게 (1~2m/s) 만 가해도 “MATHINLINE_26"을 반으로 줄일 수 있습니다.설계에 팬이 포함된 경우 올바른 히트싱크 등급 곡선을 사용하고 있는지 확인하십시오.

숫자가 통하지 않는 경우

때로는 필요한 “MATHINLINE_27"이 2°C/W 미만으로 매우 낮게 나오는 경우가 있는데 자연 대류 상태에서는 적당한 크기의 히트싱크가 이에 부딪힐 수 없습니다.이때 선택할 수 있는 옵션은 다음과 같습니다.

1.강제 공기 흐름을 추가하여 히트싱크 성능을 크게 개선하십시오. 2.전력 손실 감소 — 스위칭 레귤레이터로 전환하거나, 더 낮은 “MATHINLINE_28" MOSFET을 사용하거나, 회로를 재설계하십시오. 3.열을 여러 장치 또는 더 큰 PCB 구리 영역에 분산하십시오. 4.더 낮은 “MATHINLINE_29" 또는 “MATHINLINE_30" 이상의 높은 등급의 부품을 사용하십시오.

계산기를 사용하면 이러한 절충점을 쉽고 빠르게 적용할 수 있습니다.

사용해 보세요

실제 전력 손실, 주변 온도 및 열 저항 값을 연결하여 방열판 선택에 충분한 여유가 있는지 또는 설계를 재고해야 하는지 즉시 확인할 수 있습니다.[히트싱크 선택 계산기] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) 를 열고 다음 프로토타입을 회전하기 전에 수치를 계산해 보세요.30초가 소요되며 보드 리스핀을 줄일 수 있습니다.