Electronics Thermal Heatsink Design Tutorial

Чтобы предотвратить выход устройства из строя, силовые компоненты должны работать в пределах определённой максимальной температуры перехода. При проектировании силовой электроники необходимо учитывать рассеиваемую мощность устройства, окружающую среду и тепловое сопротивление системы, чтобы гарантировать работу устройства в безопасных пределах.

Этот учебник охватывает основы проектирования теплоотводов, включая использование калькулятора, основную тепловую теорию и выбор подходящего типа теплоотвода для вашего применения.

1. Обзор калькулятора радиатора

Калькулятор радиатора является важным инструментом для оценки рабочей температуры перехода ($T_J$) силового электронного компонента.

Key Inputs Required:

• Максимальная температура окружающей среды ($T_A$): Температура воздуха вокруг устройства.
• Максимальная температура перехода ($T_{Jmax}$): Предел, указанный в технических данных компонента.
• Рассеиваемая мощность ($P_D$): Тепловая энергия, выделяемая устройством (в ваттах).

---

2. Понимание теплового сопротивления и температуры

Что такое температура перехода?

Температура перехода — это максимальная рабочая температура полупроводникового кристалла внутри корпуса. Она почти всегда выше температуры корпуса или радиатора.

• Goal: Цель теплового проектирования — поддерживать температуру перехода ниже максимальной, указанной производителем (например, $125^\circ C$ или $150^\circ C$).

Как рассчитать температуру радиатора?

Термическое управление часто моделируется с использованием аналогии электрической цепи (см. Закон Ома для термодинамики):

• Temperature аналогична Voltage.
• Heat Flow (Power) is analogous to Current.
• Thermal Resistance аналогичен Electrical Resistance.

Тепловое уравнение

Чтобы определить, требуется ли радиатор (или достаточно ли конкретного радиатора), используйте следующее уравнение теплового баланса в стационарном состоянии:

$T_J = P_D \times (R_{\theta JC} + R_{\theta CS} + R_{\theta SA}) + T_A$

Где:

• $T_J$: Температура перехода ($^\circ C$)
• $T_A$: Температура окружающей среды ()

---

3. Введение в теплоотводы

Что такое радиатор?

Теплоотвод — это пассивный теплообменник, как правило, изготовленный из металла (алюминия или меди), который крепится к устройству для рассеивания тепла в окружающей среде (обычно в воздухе).

• Conduction: Тепло передается от устройства к радиатору.
• Конвекция: Тепло передается от поверхности теплоотвода к воздуху.

Как работает теплоотвод (4-шаговый процесс)

1. **Generation:** Источник (CPU, MOSFET и т.д.) выделяет тепло из-за электрического сопротивления или потерь при переключении.
2. Передача: Тепло передается от источника к теплоотводу посредством теплопроводности. Предпочтение отдается материалам с высокой теплопроводностью (таким как медь и алюминий).
3. **Распределение:** тепло распространяется по всей массе радиатора, перемещаясь от более горячих участков возле источника к более холодным участкам на ребрах.
4. Диссипация: Воздух (или жидкость) проходит по поверхности радиатора. За счёт конвекции тепло передаётся от рёбер к воздуху и уносится.

---

4. Типы теплоотводов

Теплоотводы классифицируются по методу их изготовления и конструкции ребер.

Экструзия

Самый распространенный и экономичный тип. Алюминий продавливается через фильеру, чтобы создать длинные формы с прямыми ребрами.

• Pros: Дешево, легко настраивать.
• Недостатки: Ограниченное соотношение высоты ребра к зазору (обычно 6:1), что ограничивает производительность в приложениях с высокой плотностью.

Паяные/сборные пластины

Отдельные пластины крепятся к рифленой базовой пластине с использованием термопроводного эпоксидного клея или пайки.

• Pros: Позволяет создавать значительно более высокие пластины (соотношение сторон от 20:1 до 40:1) и обеспечивает значительно большую мощность охлаждения без увеличения занимаемой площади.

Отливки

Изготовлено путем заливки расплавленного металла в форму (литье под давлением или песчаное литье).

• Плюсы: Может создавать сложные 3D-формы и штыревые охлаждающие элементы с высокой плотностью. Хорошо подходит для обдувочного охлаждения.

Сложенные плавники

Гофрированный листовой металл (медь или алюминий) припаян к основной пластине.

• Плюсы: Значительно увеличивает площадь поверхности при малом объеме; легкий.

Штамповки

Листы металла, штампованные в определенные формы.

• Pros: Крайне низкая стоимость, подходит для маломощных приложений, где высокая производительность не является критичной.

---

5. Как выбрать радиатор

Выбор правильного радиатора включает определение требуемого объемного теплового сопротивления. Вы также должны решить, использовать ли естественную конвекцию (пассивный воздушный поток) или принудительную конвекцию (с использованием вентилятора).

Таблица размеров

В приведенной ниже таблице оценивается необходимый объем радиатора в зависимости от доступного воздушного потока.

Диапазон объемного теплового сопротивления

Flow Condition	Velocity (m/s)	Volumetric Resistance ($cm^3 \cdot ^\circ C/W$)
Natural Convection	~0	500 - 800
Низкий расход	1.0 (200 л/мин)	150 - 250
Умеренный поток	2,5 (500 л/м)	80 - 150
High Flow	5.0 (1000 lfm)	50 - 80

Note: As airflow increases, the efficiency of the heat sink improves, allowing for a smaller heat sink to handle the same thermal load.

---