Como dimensionar um dissipador de calor corretamente: matemática de resistência térmica que todo engenheiro deve conhecer

Por que a seleção de dissipadores de calor é mais do que apenas “escolher um grande”

Cada componente de energia — reguladores de tensão, MOSFETs, amplificadores de potência de RF, drivers de LED — gera calor. E cada um desses componentes tem uma temperatura máxima de junção (“MATHINLINE_7”) além da qual a confiabilidade cai de um penhasco. A função de um dissipador de calor é manter a temperatura da junção abaixo desse limite com segurança, mas escolher o dissipador de calor certo significa entender todo o caminho térmico da matriz de silício até o ar circundante.

Muitas vezes, os engenheiros superespecificam um grande dissipador de calor (desperdiçando custo, peso e espaço na placa) ou subespecificam e descobrem o problema durante o teste térmico — ou pior, no campo. A matemática não é difícil; você só precisa fazer isso. É exatamente para isso que a [abra a Calculadora de Seleção de Dissipador de Calor] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) foi criada.

A cadeia de resistência térmica

O calor flui da junção semicondutora por meio de uma série de resistências térmicas, análogas aos resistores em um circuito elétrico em série. A resistência térmica total da junção ao ambiente é:

“BLOCO MATEMÁTICO_0"

Onde:

• “MATHINLINE_8” — Resistência térmica de junção a caixa (da ficha técnica)
• “MATHINLINE_9” — Resistência térmica da caixa ao dissipador de calor (depende do método de montagem e do material da interface)
• “MATHINLINE_10” — Resistência térmica do dissipador de calor ao ambiente (a especificação que você está procurando)

A equação térmica fundamental é:

“BLOCO MATEMÁTICO_1"

Reorganização para encontrar a resistência térmica máxima permitida do dissipador de calor:

“BLOCO MATEMÁTICO_2”

Esse é o cálculo principal. Se você não conseguir encontrar um dissipador de calor com “MATHINLINE_11” igual ou inferior a esse valor, precisará reduzir a dissipação de energia, diminuir a temperatura ambiente, melhorar o material da interface ou adicionar fluxo de ar forçado.

Exemplo resolvido: regulador linear de dissipação de 5 W

Digamos que você esteja usando um regulador linear TO-220 de 12 V para 5 V a 700 mA. A dissipação de energia é:

“BLOCO MATEMÁTICO_3”

Da folha de dados:

• “MATHINLINE_12” (classificação padrão)
• “MATHINLINE_13”

Você está usando uma almofada térmica de silicone como interface, então “MATHINLINE_14”. A pior das hipóteses de temperatura ambiente dentro do gabinete é “MATHINLINE_15”.

Conectando-se à equação:

“BLOCO MATEMÁTICO_4”

Portanto, você precisa de um dissipador de calor classificado como “MATHINLINE_16” ou inferior. Um dissipador de calor TO-220 de alumínio estampado padrão na faixa de 8—10 °C/W funcionaria e lhe daria alguma margem.

Agora vamos verificar a temperatura real da junção com um dissipador de calor classificado em “MATHINLINE_17”:

“MATHBLOCK_5”

Isso dá uma margem térmica de:

“MATHBLOCK_6”

7,5 °C é margem suficiente? Para um ambiente comercial benigno, provavelmente sim. Para um projeto que vê vibração, altitude ou carga solar ocasional, você gostaria de mais — e pode reduzir para “MATHINLINE_18”, o que exigiria um dissipador de calor significativamente melhor ou uma alteração no design.

Compreendendo as opções de classificação de temperatura

A calculadora oferece três limites comuns de temperatura de junção:

• 125 °C (padrão) — A classificação mais comum para peças comerciais e industriais. Esse é o ponto de partida padrão para a maioria dos designs.
• 150 °C (alta temperatura) — Encontrado em peças automotivas e em algumas peças militares. Oferece mais espaço térmico, mas não use esse número, a menos que sua peça específica seja classificada para isso.
• 100 °C (reduzido) — Uma escolha conservadora de engenharia. Muitas diretrizes de confiabilidade (incluindo MIL-HDBK-217 e Telcordia) recomendam reduzir a temperatura da junção em 25 °C ou mais. O resfriamento operacional melhora drasticamente o MTBF — como regra geral, cada redução de 10 °C na temperatura da junção pode dobrar a vida útil do componente.

Escolher o “MATHINLINE_19” correto é uma decisão de projeto que depende de seus requisitos de confiabilidade, não apenas do máximo absoluto da folha de dados.

Armadilhas comuns

Ignorando “MATHINLINE_20” . A interface entre a caixa do componente e o dissipador de calor não tem resistência zero. Um contato puro de metal com metal sem composto térmico pode ser de 1,0 a 2,0 °C/W para um TO-220. A graxa térmica reduz isso para 0,3—0,5 °C/W, e uma almofada térmica seca pode estar entre 0,5—1,0 °C/W. Sempre considere isso. Usar “MATHINLINE_21” ao ar livre em vez de “MATHINLINE_22” . O número “MATHINLINE_23” em uma folha de dados pressupõe que não haja dissipador de calor e tenha uma placa de teste específica. É inútil para cálculos de dissipadores de calor — sempre use “MATHINLINE_24”.

Esquecer que o ambiente não está a 25 °C. As folhas de dados são testadas a 25 °C. Seu gabinete, em um dia de verão, com outros componentes gerando calor nas proximidades, pode estar entre 50 e 70 °C. Projete para o pior ambiente. Negligenciando o fluxo de ar. As classificações “MATHINLINE_25” do dissipador de calor são normalmente especificadas para convecção natural. Adicionar até mesmo um fluxo de ar forçado suave (1—2 m/s) pode reduzir “MATHINLINE_26” pela metade. Se seu design incluir um ventilador, verifique se você está usando a curva de classificação correta do dissipador de calor.

Quando os números não funcionam

Às vezes, o “MATHINLINE_27” necessário sai muito baixo — digamos, abaixo de 2 °C/W — e nenhum dissipador de calor de tamanho razoável pode atingi-lo na convecção natural. Nesse ponto, suas opções são:

1. Adicione fluxo de ar forçado para melhorar drasticamente o desempenho do dissipador de calor.
2. Reduza a dissipação de energia — mude para um regulador de comutação, use um MOSFET “MATHINLINE_28” inferior ou redesenhe o circuito.
3. Espalhe o calor em vários dispositivos ou em uma área maior de cobre do PCB.
4. Use uma peça com classificação mais alta com um “MATHINLINE_29” menor ou “MATHINLINE_30” superior.

A calculadora facilita o jogo rápido com essas compensações.

Experimente

Conecte seus valores reais de dissipação de energia, temperatura ambiente e resistência térmica e veja instantaneamente se sua escolha de dissipador de calor tem margem suficiente ou se você precisa repensar o design. [Abra a calculadora de seleção do dissipador de calor] (https://rftools.io/calculators/thermal/heatsink-selection/) e execute os números antes da próxima rodada do protótipo. Demora 30 segundos e pode economizar uma nova rodada da placa.