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Thermal

히트싱크 계산기

전력 장치에 필요한 히트싱크 열 저항 및 접합 온도 계산

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공식

θSA=(TJmax−TA)/PD−θJC−θCSθ_SA = (T_Jmax - T_A) / P_D - θ_JC - θ_CS

참고: JEDEC JESD51 thermal measurement standard

θ_SA— 히트싱크-주변 온도 저항 (°C/W)
T_Jmax— 최대 접합 온도 (°C)
T_A— 주변 온도 (°C)
P_D— 전력 손실 (W)
θ_JC— 접합부-케이스 열 저항 (°C/W)
θ_CS— 케이스-히트싱크 열 저항 (°C/W)

작동 방식

히트싱크 열 저항 계산기는 전원 공급 장치 설계, 모터 드라이브 및 고전력 증폭기 열 관리에 필수적인 안전한 접합 온도 작동을 위한 θSA 요구 사항을 계산합니다.열 엔지니어, 전력 전자 설계자 및 제품 신뢰성 엔지니어는 이를 사용하여 히트싱크 크기를 조정하고 열 마진을 확인합니다.JEDEC JESD51-12 기준 총 열 저항 θJA = θJC + θCs + θSA, 여기서 θJC는 반도체 제조업체에서 지정합니다 (TO-220:1-2°C/W, D²PAK: JEDEC당 0.5-1°C/W), θC는 인터페이스 재료 (열 그리스: 0.1°C/W, 드라이 컨택트: 0.5°C/W, 열 패드: 0.2-0.5°C/W) 및 θSA 히트싱크 성능입니다.자연 대류 히트싱크는 크기에 따라 θSA = 3-20°C/W를 달성하며, 2m/s의 강제 공기는 AAVID 애플리케이션 데이터당 θSA를 3-5배 개선합니다.

계산 예제

1A 부하에서 12V를 5V로 변환하는 LM7805 레귤레이터용 히트싱크를 선택하십시오.전력 손실: Pd = (12V - 5V) × 1A = 7W.LM7805 데이터시트에서 발췌: θJC = 4°C/W (TO-220), Tj (최대) = 125°C. 설계 목표: Ta = 50°C에서 Tj = 100°C (산업 환경).필요한 총 θJA: θJA = (Tj - Ta) /Pd = (100 - 50) /7 = 7.14°C/W. 써멀 페이스트 사용 시 θCs = 0.2°C/W: θSA (최대) = 7.14 - 4 - 0.2 = 2.94°C/W. 아비드 531202B02500G (θSA = 2.5°C/W, 50mm × 50mm × 25mm) 을 선택하십시오.검증: Tj = 50 + 7× (4 + 0.2 + 2.5) = 50 + 46.9 = 96.9°C — 100°C 이내, 마진이 3°C 인 대상실외 애플리케이션 (Ta = 70°C) 의 경우 더 큰 히트싱크로 업그레이드하거나 팬을 추가하십시오.

실용적인 팁

  • ✓자연 대류의 경우 방열판 핀 주위에 최소 10mm의 여유 공간을 두십시오. 공기 흐름이 차단되면 열 설계 지침에 따라 θSA가 50-100% 증가합니다.
  • ✓검은색 알루마이트 처리된 히트싱크는 방사 개선으로 인해 베어 알루미늄보다 10-15% 낮은 θSa를 보입니다. 이는 주변 환경보다 ΔT > 40°C 높은 온도에서만 현저히 높습니다.
  • ✓2m/s의 강제 공기는 일반적으로 θSA를 3-5배 감소시킵니다. 특정 히트싱크는 제조업체 곡선을 참조하십시오.팬 선택: AAVID 열 핸드북에 따른 소형 인클로저의 경우 5W당 1CFM

흔한 실수

  • ✗장착 방향을 고려하지 않고 히트싱크 θSA 사용 — 자연 대류가 있는 수직 핀은 수평보다 θSA가 20~ 30% 낮습니다. 제조업체 사양은 최적 방향을 가정합니다.
  • ✗열 인터페이스 저항 무시 — θCs = 0.5°C/W (건식 접점) 를 생략하면 일반적인 전력 수준에서 Tj를 3-5°C 과소평가하므로 항상 써멀 컴파운드를 사용하십시오.
  • ✗전력을 이용한 선형 스케일링을 가정할 때, 높은 전력 밀도 (>1W/cm²) 에서 히트싱크 표면은 열로 포화 상태가 됩니다. CFD 시뮬레이션을 사용하거나 발표된 θSA의 비율을 20-30% 낮출 수 있습니다.

자주 묻는 질문

열 저항 θ (°C/W) 는 전기 저항과 유사합니다. ΔT = θ × P (V = R × I와 비교).소비되는 전력 와트 당 온도 상승이 얼마나 발생하는지를 정량화합니다.θ가 낮으면 열 전달이 더 좋아집니다.일반적인 값: TO-220 θJC = 1-2°C/W, 써멀 그리스 θC = 0.1-0.2°C/W, 소형 클립온 히트싱크 θSA = 10-20°C/W, 대형 압출 히트싱크 θSA = 1-3°C/W.
θJC는 패키지 설계로 해결되며 사용자가 개선할 수 없습니다. 이는 근본적인 열 병목 현상을 나타냅니다.파워 패키지 (D²PAK, TO-247) 는 θJC < 1°C/W를 달성하며, 표면 실장 패키지 (SOIC, QFP) 의 θJC는 20-100°C/W입니다. 고전력 애플리케이션의 경우 패키지 선택이 중요합니다. SOIC-8 (θJC = 40°C/W) 의 10W 장치는 케이스에 도달하기도 전에 400°C 상승합니다.
주변 온도 Ta가 기준선을 설정합니다. 모든 온도 상승은 Ta에 추가됩니다.산업 설계에서는 Ta = 50-70°C를 사용하고 가전 제품은 Ta = 35-45°C를 사용합니다. Ta를 25°C에서 50°C로 높이려면 전력 손실을 25°C/θJA 와트만큼 줄이거나 그에 비례하여 θJA를 개선해야 합니다.항상 IPC-9592B 신뢰성 지침에 따라 최악의 환경을 고려하여 설계하십시오.
θJC: 패키지로 고정 (TO-220 대신 D²PAK와 같은 낮은 θJC 패키지를 선택). θC: 건식 접점 (0.5°C/W) 대신 열 그리스 (0.1°C/W) 를 사용하거나 상변화 재료 (0.05°C/W) 를 사용합니다. θSA: 더 큰 방열판 면적, 더 많은 핀, 강제 공기 (3-5배 개선) 또는 액체 냉각 (10배 개선).전체 시스템 θ JA는 50°C/W (히트싱크 없음) 에서 <2°C/W (최적화된 액체 냉각) 로 줄일 수 있습니다.
단기: MOSFET의 경우 Rds (on) 증가 (Tj (최대) 에서 1.5-2배), BJT의 경우 HFe 감소, 과열 시 전원 차단 (많은 IC의 보호 기능).Arrhenius 모델에 따른 장기적 마모 가속화 — 설계 목표치를 10°C 초과할 때마다 기대 수명이 절반으로 줄어듭니다.JEDEC JEP122H 기준으로 Tj (최대) 에서 작동하면 지속적으로 1000-10000시간의 MTTF가 발생하고, Tj (최대) - 50°C에서 작동하면 100,000시간 이상의 MTTF를 달성할 수 있습니다.

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