보드가 과열되기 전에 접합 온도를 예측하는 방법: 열 저항 네트워크 설명

열 저항 네트워크가 중요한 이유

모든 반도체에는 최대 접합 온도가 있습니다. 이 값을 초과하면 성능이 저하되거나 수명이 단축되거나 완전히 고장날 수 있습니다.데이터시트에는 보통 125°C 또는 150°C인 “MATHINLINE_11"이 나와 있지만, 진짜 문제는 다음과 같습니다. *시스템의 접합 온도는 실제로 얼마나 될까요?*

열 저항 네트워크가 필요한 이유가 바로 여기에 있습니다.옴의 법칙처럼 열에 대한 전력 손실과 일련의 열 저항을 통해 접합 온도를 예측할 수 있게 해주는 전기 비유 모델입니다.직감적으로 히트싱크를 고르고 최고의 성능을 기대했던 경험이 있다면, 이 접근법을 통해 희망을 수학으로 바꿀 수 있습니다.

열 저항 체인

열은 반도체 접합부에서 일련의 열 저항을 통해 주변 환경으로 흐릅니다.표준 모델은 이를 세 부분으로 나눕니다.

“매스블록_0"

장소:

• “MATHINLINE_12"는 장치에서 소비되는 전력 (와트) 입니다.
• “MATHINLINE_13"은 접합부-케이스 열 저항 (°C/W) 으로, 패키지와 다이 어태치트에 의해 설정됩니다.
• “MATHINLINE_14"는 케이스-히트싱크 간 열 저항 (°C/W) 으로, 열 인터페이스 재료 (TIM) 에 의해 결정됩니다.
• “MATHINLINE_15"는 히트싱크와 공기 흐름의 특성인 히트싱크-주변 온도 저항 (°C/W) 입니다.
• “MATHINLINE_16"은 주변 온도 (°C) 입니다.

접합 대 주변 저항의 총 합계는 다음과 같습니다.

“매스블록_1"

이것은 직렬 네트워크입니다. 열의 경로는 하나뿐입니다.각 저항은 저항을 통해 흐르는 전력에 비례하여 온도 강하를 생성하는데, 이는 직렬 저항기의 전압 강하와 똑같습니다.

중간 온도

네트워크 모델의 장점은 접합부뿐만 아니라 모든 인터페이스의 온도를 계산할 수 있다는 것입니다.주위에서 다시 교차로를 향해 작업하기:

“매스블록_2" “매스블록_3" “매스블록_4"

이는 검증 시 매우 유용합니다. 히트싱크나 케이스에 열전쌍을 장착하여 실제 모델이 모델과 일치하는지 확인할 수 있습니다.“MATHINLINE_17"이 예상보다 높으면 히트싱크의 성능이 저하된 것입니다 (공기 흐름이 차단되었을 수 있음).“MATHINLINE_18"이 “MATHINLINE_19"에 비해 예상보다 높으면 열 인터페이스에 문제가 있는 것입니다.

실제 사례: 10W 전압 레귤레이터

TO-220 패키지에서 10W를 소비하는 LDO가 포함된 전원 공급 장치를 설계한다고 가정해 보겠습니다.선택한 히트싱크가 최악의 환경인 70°C에서 접합부를 150°C 미만으로 유지하는지 확인해야 합니다.

주어진 값:

• “수학 인라인_20"
• “MATHINLINE_21" (데이터시트에서)
• “MATHINLINE_22" (마운팅 클립이 있는 써멀 패드)
• “MATHINLINE_23" (압출 알루미늄 히트싱크, 자연 대류)
• “매틴라인_24"

계산:

“매스블록_5"

“매스블록_6" “매스블록_7" “매스블록_8"

150°C까지의 열 마진:

“매스블록_9"

따라서 접합부는 130°C에 도달합니다. 기술적으로는 사양 이내이지만 마진은 20°C에 불과합니다.TIM 적용, 히트싱크 장착 토크 및 로컬 공기 흐름에서 장치 간 편차가 발생하는 생산 설계에서는 불편할 정도로 빡빡한 편입니다.실제로는 최소 20~30°C의 여백이 필요하므로 이 설계는 경계선입니다.

이제 주변 온도가 25°C인 동일한 설계를 고려해 보십시오 (벤치 테스트).

“매스블록_10"

벤치에서는 매우 편안해 보이기 때문에 항상 최악의 환경에서 분석해야 하는 이유가 바로 여기에 있습니다.25°C에서는 시원하게 느껴지지만 70°C에서는 고장이 날 수 있습니다.

흔히 범하는 함정

"MATHINLINE_25"를 무시하면서: 엔지니어들은 종종 “MATHINLINE_26"에서 “MATHINLINE_27"로 넘어가서 인터페이스 저항을 잊어버립니다.TO-220 및 히트싱크 사이의 건식 접촉은 1.0—2.0°C/W일 수 있습니다. 써멀 그리스를 사용하면 0.3—0.5°C/W로 떨어집니다. 10W에서는 접합부의 온도가 5—15°C 차이입니다. 데이터시트의 “MATHINLINE_28" 사용: 데이터시트의 “MATHINLINE_29" 값은 표준화된 테스트 보드 (일반적으로 JEDEC) 에서 측정되었습니다.PCB, 인클로저 또는 공기 흐름을 나타내지 않습니다*.항상 개별 저항으로 네트워크를 구축하십시오. 디레이팅은 잊어버리세요: 많은 제조업체에서 신뢰성을 “MATHINLINE_30"으로 지정하지만 온도가 올라감에 따라 수명이 기하급수적으로 저하됩니다.Arrhenius 모델에 따르면 10°C 상승할 때마다 부품 수명이 약 절반으로 줄어드는 것으로 나타났습니다.110°C가 아닌 130°C에서 실행하면 신뢰성에 실질적인 영향을 미칩니다.

적합한 “MATHINLINE_31" 선택

히트싱크-주변 저항이 일반적으로 가장 많이 사용되는 용어이며 사용자가 가장 잘 제어할 수 있는 용어입니다.몇 가지 일반적인 참조 값:

열 마진이 충분하지 않은 경우 일반적으로 더 큰 히트싱크를 선택하거나 공기 흐름을 늘려 “MATHINLINE_33"을 줄이는 것이 가장 실용적인 방법입니다.

이 계산기를 사용하는 경우

전력 소비량이 1~2와트 이상인 경우 또는 주변 온도가 40°C를 초과할 때 이 분석을 실행해야 합니다. 구체적인 시나리오는 다음과 같습니다.

• 선형 레귤레이터, MOSFET 또는 파워 앰프용 히트싱크 선택
• 다양한 주변 온도 사양 (25°C, 40°C, 70°C, 85°C) 에서 열 마진 확인
• 부품이 과열되는 보드 문제 해결
• 열 인터페이스 재료 비교
• 설계 검토를 위한 열 분석 문서화

계산기를 사용하면 실내 (25°C), 따뜻한 (40°C), 고온 (70°C), 최대 사양 (85°C) 과 같은 표준 조건에 따라 주변 온도를 측정할 수 있으므로 전체 상황을 몇 초 만에 확인할 수 있습니다.

사용해 보세요

장치의 열 저항과 전력 손실을 연결하고 다양한 주변 조건의 접합부, 케이스 및 히트싱크 온도를 즉시 확인할 수 있습니다.더 이상 스프레드시트를 뒤적거릴 필요가 없습니다. [열 저항 네트워크 계산기 열기] (https://rftools.io/calculators/thermal/thermal-resistance-network/) 를 열고 보드를 돌리기 전에 열 설계에 필요한 여유가 있는지 확인하십시오.