Guia de seleção de dissipadores de calor: como calcular a resistência térmica e dimensionar um dissipador de calor

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

Cada componente de energia gera calor. Reguladores de tensão, MOSFETs, amplificadores de potência de RF, drivers de LED — todos eles transformam energia elétrica em energia térmica, e esse calor precisa ir para algum lugar. Cada um desses componentes tem uma temperatura máxima de junção ($T_{J(max)}$) estampada em sua folha de dados e, se você excedê-la, a confiabilidade cairá diretamente de um penhasco. O trabalho do dissipador de calor é simples: manter a temperatura da junção abaixo do limite com segurança. Mas o problema é o seguinte: escolher o dissipador de calor certo significa realmente entender o caminho térmico completo da matriz de silício até o ar ao redor dela.

Já vi isso dar errado em duas direções. Alguns engenheiros usam um enorme dissipador de calor apenas por segurança, desperdiçando custo, peso e espaço precioso na placa. Outros o subdimensionam e descobrem o problema durante o teste térmico. Ou pior: eles descobrem no campo depois que as unidades começam a falhar. A matemática para fazer isso da maneira certa não é complicada. Você só precisa realmente fazer isso em vez de adivinhar. É por isso que a Calculadora de seleção de dissipador de calor existe — ela processa o cálculo em segundos para que você possa se concentrar em saber se o design realmente funciona.

A cadeia de resistência térmica

O calor flui da junção semicondutora por meio de uma série de resistências térmicas. Pense nisso como resistores em série — cada interface adiciona resistência e o total determina o quão quente sua junção fica. A resistência térmica completa da junção ao ar ambiente é:

Detalhando isso:

• $\theta_{JC}$ é a resistência térmica de junção a caixa. Você encontrará isso na ficha técnica do componente, geralmente na seção de características térmicas.
• $\theta_{CS}$ é a resistência térmica da caixa ao dissipador de calor. Isso depende inteiramente de como você monta a peça e do material de interface usado entre a embalagem e o dissipador de calor.
• $\theta_{SA}$ é a resistência térmica do dissipador de calor ao ambiente. Essa é a especificação que você está realmente resolvendo ao escolher um dissipador de calor.

A equação fundamental que une tudo é:

Onde $T_J$ é a temperatura da junção, $T_A$ é a temperatura ambiente ao redor do dissipador de calor e $P_D$ é a energia que está sendo dissipada. Reorganize isso para resolver a resistência térmica máxima permitida do dissipador de calor:

Essa é a equação que importa. Se você não conseguir encontrar um dissipador de calor com $\theta_{SA}$ igual ou inferior a esse valor calculado, você tem um problema. Suas opções nesse momento são reduzir a dissipação de energia, diminuir a temperatura ambiente de alguma forma, melhorar o material da interface térmica ou adicionar fluxo de ar forçado com um ventilador.

Exemplo resolvido: regulador linear de dissipação de 5 W

Vamos dar uma olhada em um exemplo real. Digamos que você esteja usando um regulador linear TO-220 para baixar 12 V para 5 V a 700 mA. Primeiro, calcule a dissipação de energia:

Os reguladores lineares são simples, mas transformam toda essa diferença de tensão em calor. Agora, verifique a ficha técnica para ver as especificações térmicas:

• $T_{J(max)} = 125\,°\text{C}$ — esta é a classificação padrão para a maioria das peças de nível comercial
• $\theta_{JC} = 3.0\,°\text{C/W}$ — típico para um pacote TO-220

Você planeja usar uma almofada térmica de silicone como material de interface, o que fornece $\theta_{CS} = 0.5\,°\text{C/W}$. A pior das hipóteses de temperatura ambiente dentro de seu gabinete é $50\,°\text{C}$ — não a temperatura ambiente, porque sua caixa terá outros componentes gerando calor e poderá ficar exposta ao sol ou a um rack de equipamentos quente.

Coloque tudo na equação:

Portanto, você precisa de um dissipador de calor avaliado em $11.5\,°\text{C/W}$ ou inferior. Um dissipador de calor TO-220 de alumínio estampado padrão na faixa de 8—10 °C/W funcionaria aqui e lhe daria alguma margem. Vamos verificar a temperatura real da junção se você usar um dissipador de calor avaliado em $10\,°\text{C/W}$:

Isso lhe dá uma margem térmica de:

7,5 °C é margem suficiente? Depende da sua aplicação. Para um ambiente comercial benigno com temperatura controlada, provavelmente sim. Mas se seu projeto apresentar vibração, mudanças de altitude, carregamento solar ocasional ou operação prolongada em altas temperaturas ambientes, você desejaria mais espaço livre. Muitos engenheiros reduzem para o $T_{J(max)} = 100\,°\text{C}$ nessas situações, o que exigiria um dissipador de calor significativamente melhor ou uma mudança fundamental no projeto — talvez mudar para um conversor de dólares em vez de queimar 5 W continuamente.

Compreendendo as opções de classificação de temperatura

A calculadora oferece três limites comuns de temperatura de junção, e escolher o correto é mais importante do que você imagina:

125 °C (padrão) é a classificação mais comum para componentes comerciais e industriais. É aqui que você começa para a maioria dos designs. É o que o fabricante testou e é o que eles garantirão. 150 °C (alta temperatura) aparece em peças automotivas e em alguns componentes de especificações militares. Isso oferece mais espaço térmico, o que parece ótimo, mas não presuma que você pode usar esse número. Verifique a ficha técnica de sua peça específica — nem todos os dispositivos são classificados para 150 °C, mesmo que estejam em uma embalagem de alta temperatura. 100 °C (reduzido) é uma escolha conservadora de engenharia que compensa em confiabilidade. Muitas diretrizes de confiabilidade, incluindo os padrões MIL-HDBK-217 e Telcordia, recomendam reduzir a temperatura da junção em 25 °C ou mais abaixo do máximo absoluto. Por quê? Porque o resfriamento operacional melhora drasticamente o tempo médio entre as falhas. Como regra geral, cada redução de 10 °C na temperatura da junção pode dobrar a vida útil esperada do componente. Se você está projetando algo que precisa ser executado por anos sem falhas, essa redução não é opcional — é um seguro barato.

Escolher o $T_{J(max)}$ correto é fundamentalmente uma decisão de projeto baseada em seus requisitos de confiabilidade, não apenas no que a folha de dados lista como uma classificação máxima absoluta.

Armadilhas comuns

Ignorar o $\theta_{CS}$ é provavelmente o erro mais comum que eu vejo. A interface entre a caixa do componente e o dissipador de calor não tem resistência zero. Um contato puro de metal com metal sem qualquer composto térmico pode ser facilmente de 1,0—2,0 °C/W para um pacote TO-220. A graxa térmica reduz isso para 0,3—0,5 °C/W, e uma almofada térmica seca pode ser de 0,5—1,0 °C/W, dependendo da espessura e da qualidade. Sempre considere essa resistência em seus cálculos, porque ela não é insignificante quando você está tentando reduzir o desempenho de um design marginal. Usar ar livre $\theta_{JA}$ em vez de $\theta_{JC}$ destruirá completamente seus cálculos. Esse número $\theta_{JA}$ na folha de dados pressupõe que não haja dissipador de calor e tenha um layout de placa de teste muito específico com área de cobre definida. É essencialmente inútil para o dimensionamento de dissipadores de calor. Sempre use o $\theta_{JC}$ ao montar um dissipador de calor, porque essa é a resistência térmica real da junção de silício ao gabinete do componente ou à aba de montagem. Esquecer que a temperatura ambiente não é de 25 °C no mundo real. As folhas de dados testam tudo em uma temperatura ambiente confortável. Seu gabinete real, em um dia de verão, com outros componentes gerando calor nas proximidades, pode facilmente atingir 50 a 70 °C. Já vi projetos que funcionavam perfeitamente na bancada falharem no campo porque ninguém contabilizou uma prateleira de equipamentos quente ou a luz solar direta em um gabinete externo. Sempre projete de acordo com a pior temperatura ambiente real, não para as condições do laboratório. Negligenciar o efeito do fluxo de ar está prejudicando o desempenho. As classificações do dissipador de calor $\theta_{SA}$ são quase sempre especificadas para convecção natural, o que significa ar parado. Adicionar até mesmo um fluxo de ar forçado suave de 1—2 m/s pode reduzir $\theta_{SA}$ pela metade ou mais. Se seu design já inclui um ventilador por outros motivos, certifique-se de usar a curva de classificação correta do dissipador de calor para convecção forçada. A diferença entre o desempenho de convecção natural e forçada é enorme, e usar o número errado significa que você está projetando demais por uma margem enorme ou subprojetando perigosamente.

Quando os números não funcionam

Às vezes, você executa o cálculo e o $\theta_{SA}$ necessário sai ridiculamente baixo — digamos, abaixo de 2° C/W — e nenhum dissipador de calor de tamanho razoável pode atingir esse número na convecção natural. Nesse ponto, você não está mais escolhendo um dissipador de calor, está redesenhando algo fundamental. Suas opções são:

Adicione fluxo de ar forçado para melhorar drasticamente o desempenho do dissipador de calor. Até mesmo um pequeno ventilador pode fazer com que um dissipador de calor de 5 °C/W funcione como um dissipador de calor de 2 °C/W em ar parado. Geralmente, essa é a solução mais barata se você tiver espaço e puder tolerar o ruído e o consumo de energia. Reduza a dissipação de energia na fonte. Mude para um conversor de dólares em vez de um regulador linear. Use um MOSFET com menor $R_{DS(on)}$. Redesenhe o circuito para operar com corrente mais baixa. Às vezes, o problema térmico indica que a topologia do circuito está fundamentalmente errada para os níveis de potência que você está tentando controlar. Espalhe o calor em vários dispositivos ou use o cobre da placa de circuito impresso como dissipador de calor. Componentes de energia modernos em pacotes de almofadas expostas podem despejar muito calor diretamente no PCB se você projetar a área de cobre adequadamente. Isso não substituirá um dissipador de calor em projetos de alta potência, mas pode reduzir significativamente a necessidade de dissipador de calor. Use uma peça com classificação mais alta com menor $\theta_{JC}$ ou maior $T_{J(max)}$. Pacotes maiores geralmente têm melhor desempenho térmico. Um TO-247 superará um TO-220. Um componente classificado para 150 °C em vez de 125 °C oferece 25 °C a mais de espaço livre. Às vezes, gastar um dólar extra em um componente melhor é mais barato do que a complexidade mecânica de um enorme dissipador de calor.

A calculadora facilita a exploração rápida dessas compensações. Altere a dissipação de energia, ajuste a temperatura ambiente, experimente diferentes limites de temperatura de junção e veja imediatamente qual resistência térmica do dissipador de calor você precisa. É muito mais rápido do que fazer álgebra manualmente toda vez que você quiser experimentar um cenário diferente.

Experimente

Pare de adivinhar na seleção do dissipador de calor. Conecte sua dissipação de energia real, sua pior temperatura ambiente real e seus valores de resistência térmica. Veja instantaneamente se sua escolha de dissipador de calor tem margem suficiente ou se você precisa repensar o design antes de se comprometer com um protótipo. Abra a calculadora de seleção do dissipador de calor e execute os números. Demora talvez 30 segundos e pode economizar uma rotação inteira da placa ao descobrir o problema térmico antes da fabricação, em vez de depois.