히트싱크 선택 가이드: 열 저항 계산 및 히트싱크 크기 조정 방법

히트싱크 선택이 단순히 “큰 것을 고르는 것”이 아닌 이유

모든 전원 부품은 열을 발생시킵니다.전압 조정기, MOSFET, RF 전력 증폭기, LED 드라이버 등은 모두 전기 에너지를 열 에너지로 전환하므로 열은 어딘가로 이동해야 합니다.이러한 모든 부품에는 데이터시트에 최대 접합 온도 ($T_{J(max)}$) 가 찍혀 있으며, 이를 초과할 경우 신뢰성이 크게 떨어집니다.히트싱크의 역할은 간단합니다. 바로 접합 온도를 한계 이하로 안전하게 유지하는 것입니다.하지만 여기서 중요한 점은 올바른 히트싱크를 선택한다는 것은 실리콘 다이에서 주변 공기까지 이어지는 전체 열 경로를 실제로 이해하는 것을 의미합니다.

저는 이것이 두 가지 방향으로 잘못되는 것을 본 적이 있습니다.일부 엔지니어들은 안전을 위해 거대한 방열판을 두드려 비용과 무게, 소중한 보드 공간을 낭비하기도 합니다.크기를 너무 작게 만든 다음 열 테스트 중에 문제를 발견하는 사람들도 있습니다.더 나쁜 것은 장치가 고장나기 시작한 후 현장에서 문제를 발견한다는 것입니다.이 문제를 해결하는 데 필요한 수학은 복잡하지 않습니다.추측하는 대신 실제로 해보시면 됩니다.이것이 바로 히트싱크 선택 계산기 가 존재하는 이유입니다. 이 계산기는 몇 초 만에 계산을 처리하므로 설계가 실제로 작동하는지 여부에 집중할 수 있습니다.

열 저항 체인

열은 반도체 접합부에서 일련의 열 저항을 통해 흐릅니다.직렬로 연결된 저항과 비슷하다고 생각하면 됩니다. 각 인터페이스에 저항이 추가되고 총 저항에 따라 접합부의 온도가 결정됩니다.접합부에서 주변 공기까지의 전체 열 저항은 다음과 같습니다.

세분화:

-$\theta_{JC}$은 접합부 대 케이스 열 저항입니다.이 내용은 부품 데이터시트에서 확인할 수 있으며, 일반적으로 열 특성 섹션에 나와 있습니다. -$\theta_{CS}$은 케이스와 히트싱크 간의 열 저항입니다.이는 전적으로 부품을 장착하는 방법과 패키지와 히트싱크 사이에 어떤 인터페이스 재료를 사용하느냐에 따라 달라집니다. -$\theta_{SA}$값은 히트싱크-주변 온도 저항입니다.이 사양은 히트싱크를 선택할 때 실제로 확인해야 하는 사양입니다.

모든 것을 하나로 묶는 기본 방정식은 다음과 같습니다.

여기서$T_J$은 접합 온도,$T_A$는 히트싱크 주변의 주변 온도,$P_D$은 소비되는 전력입니다.이 값을 재배열하여 최대 허용 히트싱크 열 저항을 구합니다.이것이 중요한 방정식입니다.$\theta_{SA}$값이 이 계산값 이하인 히트싱크를 찾을 수 없다면 문제가 있는 것입니다.이때 선택할 수 있는 옵션은 전력 소비를 줄이고, 주변 온도를 어떻게든 낮추거나, 열 인터페이스 재료를 개선하거나, 팬을 통해 공기 흐름을 강제하는 것입니다.

작업 예: 5W를 소비하는 선형 레귤레이터

실제 예제를 살펴보겠습니다.TO-220 선형 레귤레이터를 사용하여 700mA에서 12V를 5V까지 낮춘다고 가정해 보겠습니다.먼저 전력 손실을 계산해 보세요.

선형 레귤레이터는 간단하지만 이 모든 전압 차이를 열로 바꿉니다.이제 데이터시트에서 열 사양을 확인하세요.

-$T_{J(max)} = 125\,°\text{C}$— 이는 대부분의 상용 등급 부품에 대한 표준 등급입니다. -$\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$— 일반적으로 TO-220 패키지의 경우

인터페이스 소재로 실리콘 써멀 패드를 사용할 계획이시라면$\theta_{CS} = 0.5\,°\text{C/W}$혜택을 받으실 수 있습니다.인클로저 내부의 최악의 주변 온도는$50\,°\text{C}$입니다. 박스에 열을 발생시키는 다른 구성 요소가 있어 햇볕에 노출되거나 뜨거운 장비 랙에 놓일 수 있기 때문입니다.

이 모든 것을 다음 방정식에 포함시키세요.

따라서$11.5\,°\text{C/W}$이하의 방열판이 필요합니다.여기서는 8—10°C/W 범위의 표준 스탬프가 부착된 알루미늄 TO-220 히트싱크를 사용해도 충분하므로 어느 정도 여유를 확보할 수 있습니다.$10\,°\text{C/W}$등급의 히트싱크를 사용하는 경우 실제 접합 온도를 확인해 보겠습니다.그러면 다음과 같은 열 마진을 얻을 수 있습니다.7.5°C의 마진은 충분한가요?용도에 따라 다릅니다.온도 조절이 가능한 온화한 상업 환경이라면 아마도 그럴 것입니다.하지만 설계에 진동, 고도 변화, 가끔 발생하는 태양열 부하 또는 높은 주변 온도에서 장시간 작동할 경우 여유 공간이 더 필요할 것입니다.이러한 상황에서는 많은 엔지니어들이$T_{J(max)} = 100\,°\text{C}$조항을 따르는데, 이를 위해서는 훨씬 더 나은 방열판이나 근본적인 설계 변경이 필요할 수 있습니다. 5W를 계속 소모하는 대신 벅 컨버터로 전환할 수도 있습니다.

온도 등급 옵션에 대한 이해

계산기는 세 가지 일반적인 접합 온도 한계를 제공하며, 올바른 온도 제한을 선택하는 것이 생각보다 중요합니다.

125°C (표준) 는 상업용 및 산업용 부품에 대한 가장 일반적인 등급입니다.여기서부터 대부분의 설계를 시작할 수 있습니다.이는 제조업체가 테스트한 결과이며, 제조업체에서 보증할 내용이기도 합니다. 150°C (고온) 는 자동차 등급 부품과 일부 군용 사양 부품에 나타납니다.이렇게 하면 열 헤드룸이 더 넓어져 사운드도 훌륭하지만 이 수치를 그냥 사용할 수 있다고 가정하지 마세요.특정 부품의 데이터시트를 확인하십시오. 모든 장치가 고온 패키지라고 해도 150°C 정격인 것은 아닙니다. 100°C (경감) 는 보수적인 엔지니어링 선택으로 신뢰성이 크게 향상됩니다.MIL-HDBK-217 및 Telcordia 표준을 비롯한 많은 신뢰성 지침에서는 접합 온도를 절대 최대값보다 25°C 이상 낮출 것을 권장합니다.그 이유는 무엇일까요?쿨러를 사용하면 평균 장애 발생 간격이 크게 줄어들기 때문입니다.대략적인 경험상 접합 온도가 10°C 낮아질 때마다 부품의 예상 수명이 두 배로 늘어날 수 있습니다.수년 동안 고장 없이 작동해야 하는 제품을 설계하는 경우 이러한 경감 조정은 선택 사항이 아니라 저렴한 보험입니다.

올바른$T_{J(max)}$제품을 선택하는 것은 기본적으로 데이터시트에 절대 최대 등급으로 나열되어 있는 것이 아니라 신뢰성 요구 사항을 기반으로 한 설계 결정입니다.

흔히 범하는 함정

$\theta_{CS}$을 무시하는 것은 아마도 제가 보는 가장 흔한 실수일 것입니다. 부품 케이스와 히트싱크 사이의 인터페이스는 제로 저항이 아닙니다.TO-220 패키지의 경우 열 화합물이 전혀 없는 베어 메탈 대 금속 접점도 1.0—2.0°C/W가 될 수 있습니다.써멀 그리스를 사용하면 두께와 품질에 따라 0.3—0.5°C/W까지 내려갈 수 있으며 건식 써멀 패드의 경우 0.5—1.0°C/W가 될 수 있습니다.이 저항은 한계 설계에서 성능을 끌어내려 할 때 무시할 수 있는 수준이 아니기 때문에 계산 시 항상 이 저항을 고려하세요. $\theta_{JC}$대신 Free-air$\theta_{JA}$를 사용하면 계산이 완전히 엉망이 됩니다. 데이터시트의$\theta_{JA}$수치는 방열판이 없고 구리 면적이 정의된 매우 구체적인 테스트 보드 레이아웃을 전제로 합니다.히트싱크 크기 조정에는 기본적으로 쓸모가 없습니다.히트싱크를 장착할 때는 항상$\theta_{JC}$을 사용하십시오. 이는 실리콘 접합부에서 부품 케이스 또는 장착 탭까지의 실제 열 저항이기 때문입니다. 실제 환경에서는 주변 온도가 25°C가 아니라는 사실을 잊으셔도 됩니다. 데이터시트는 쾌적한 실내 온도에서 모든 것을 테스트합니다.여름날 근처에서 열을 발생시키는 다른 구성 요소가 있는 실제 인클로저는 50~70°C에 도달하기 쉽습니다. 벤치에서 완벽하게 작동하던 설계가 현장에서는 실패하는 것을 본 적이 있습니다. 뜨거운 장비 랙이나 실외 인클로저의 직사광선을 고려하지 않았기 때문입니다.항상 실험실 조건이 아니라 실제 최악의 주변 온도에 맞춰 설계하세요. 공기 흐름의 영향을 무시하면 성능이 저하됩니다. 히트싱크$\theta_{SA}$등급은 자연 대류, 즉 잔잔한 공기에 대해 거의 항상 지정됩니다.1~2m/s의 속도로 완만한 강제 공기 흐름을 추가해도$\theta_{SA}$크기를 절반 이상 줄일 수 있습니다.다른 이유로 인해 설계에 이미 팬이 포함되어 있는 경우 강제 대류에 대해 올바른 히트싱크 등급 곡선을 사용하고 있는지 반드시 확인하십시오.자연 대류와 강제 대류 성능의 차이는 엄청나며, 잘못된 수치를 사용하면 지나치게 높은 차이로 설계하거나 과소 설계하는 위험이 발생할 수 있습니다.

숫자가 통하지 않는 경우

때로는 계산을 실행했을 때 필요한$\theta_{SA}$값이 터무니없이 낮은 값 (예: 2°C/W 미만) 으로 나오는데 자연 대류에서는 적당한 크기의 히트싱크가 그 수치에 도달할 수 없습니다.이 시점에서는 더 이상 히트싱크를 선택하는 것이 아니라 근본적인 것을 재설계하는 셈입니다.옵션은 다음과 같습니다.

강제 공기 흐름을 추가하여 히트싱크 성능을 크게 개선하십시오.팬이 작아도 5°C/W 방열판이 고요한 공기 속에서도 2°C/W 방열판처럼 작동할 수 있습니다.공간이 충분하고 소음과 전력 소비를 견딜 수 있다면 가장 저렴한 해결책인 경우가 많습니다.

소스에서전력 소비를 줄이십시오.선형 레귤레이터 대신 벅 컨버터로 전환하세요.$R_{DS(on)}$보다 낮은 MOSFET을 사용하십시오.더 낮은 전류에서 작동하도록 회로를 재설계하십시오.때때로 열 문제로 인해 처리하려는 전력 수준에 비해 회로 토폴로지가 근본적으로 잘못되었다는 것을 알 수 있습니다.

열을 분산하여 여러 장치에 분산시키거나 PCB 구리를 방열판으로 사용하십시오.노출 패드 패키지의 최신 전원 구성 요소는 구리 영역을 적절하게 설계할 경우 많은 열을 PCB에 직접 투하할 수 있습니다.이렇게 하면 고전력 설계의 히트싱크를 대체할 수는 없지만 히트싱크 요구 사항을 크게 줄일 수 있습니다. $\theta_{JC}$이상$T_{J(max)}$이상의 등급이 높은 부품을 사용하세요.일반적으로 패키지가 클수록 열 성능이 더 좋습니다.TO-247 차량은 TO-220 제품보다 성능이 뛰어납니다.125°C 대신 150°C 정격의 부품을 사용하면 헤드룸이 25°C 더 넓어집니다.때로는 더 나은 부품에 추가 비용을 지출하는 것이 대형 방열판의 기계적 복잡성보다 저렴할 때가 있습니다.

계산기를 사용하면 이러한 절충점을 쉽고 빠르게 탐색할 수 있습니다.전력 손실을 변경하고, 주변 온도를 조정하고, 다양한 접합 온도 제한을 시도하고, 필요한 히트싱크 열 저항을 즉시 확인할 수 있습니다.다른 시나리오를 시도하고 싶을 때마다 손으로 대수를 배우는 것보다 훨씬 빠릅니다.

시도해 보세요

더 이상 추측에 의존하지 말고 히트싱크를 선택하세요.실제 전력 소비량, 최악의 경우 주변 온도, 열 저항 값을 모두 포함하세요.히트싱크 선택에 충분한 여유가 있는지 또는 프로토타입을 제작하기 전에 설계를 재고해야 하는지 즉시 확인할 수 있습니다.히트싱크 선택 계산기 를 열고 숫자를 계산해 보십시오.대략 30초 정도 소요되며 제조 후가 아니라 제조 전에 열 문제를 발견했을 때 전체 보드 리스핀을 줄일 수 있습니다.