散热器的选型与计算..

散热器的选型与计算
以7805为例说明问题.
设I=350mA,Vin=12V,则耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W
按照TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,温升是132℃,设室温25℃,那么将会达到7805的热保护点150℃,7805会断开输出.
正确的设计方法是:
首先确定最高的环境温度,比如60℃,查出7805的最高结温TJMAX=125℃,那么允许的温升是65℃.要求的热阻是65℃/2.45W=26℃/W.再查7805的热阻,TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,均高于要求值,都不能使用,所以都必须加散热片,资料里讲到加散热片的时候,应该加上4℃/W的壳到散热片的热阻.
计算散热片应该具有的热阻也很简单,与电阻的并联一样,即54//x=26,x=50℃/W.其实这个值非常大,只要是个散热片即可满足.
散热器的计算:
总热阻RQj-a=(Tjmax-Ta)/Pd
Tjmax :芯组最大结温150℃
Ta :环境温度85℃
Pd : 芯组最大功耗
Pd=输入功率-输出功率
={24×0.75+(-24)×(-0.25)}-9.8×0.25×2
=5.5℃/W
总热阻由两部分构成,其一是管芯到环境的热阻RQj-a,其中包括结壳热阻RQj-C和管壳到环境的热阻RQC-a.其二是散热器热阻RQd-a,两者并联构成总热阻.管芯到环境的热阻经查手册知RQj-C=1.0 RQC-a=36 那么散热器热阻RQd-a应<6.4. 散热器热阻RQd-a=[(10/kd)1/2+650/A]C
其中k:导热率铝为2.08
d:散热器厚度cm
A:散热器面积cm2
C:修正因子取1
按现有散热器考虑,d=1.0 A=17.6×7+17.6×1×13
算得散热器热阻RQd-a=4.1℃/W,
散热器选择及散热计算
目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。

进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。

散热计算
任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。

小功率器件损耗小，无需散热装置。

而大功率器件损耗大，若不采取散
热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。

因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。

在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。

散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。

功率器件安装在散热器上。

它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。

若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。

热量在传递过程有一定热阻。

由器件管芯传到器件底部的热阻为RJC，器件底部与散热器之间的热阻为RCS，散热器将热量散到周围空间的热阻为RSA，总的热阻RJA="R"JC+RCS+RSA。

若器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻RJA。

RJA≤(TJ-TA)/PD
则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻RSA为
RSA≤({T_{J}-T_{A}}over{P_{D}})-(RJC+RCS)
出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125℃。

环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=40℃60℃。

RJC的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。

RCS的大小与安装技术及器件的封装有关。

如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其RCS典型值为0.10.2℃/W;若器件底面不绝缘，需要另外
加云母片绝缘，则其RCS可达1℃/W。

PD为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。

这样，RSA可以计算出来，根据计算的RSA值可选合适的散热器了。

散热器简介
小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表面处理制成。

它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。

散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。

散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。

在自然冷却下可提高10-15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500800V。

散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。

计算实例
一功率运算放大器PA02(APEX公司产品)作低频功放，其电路如图1所示。

器件为8引脚TO-3金属外壳封装。

器件工作条件如下:工作电压VS为18V;负载阻抗RL为4，工作频率直流条件下可到5kHz，环境温度设为40℃，采用自然冷却。

查PA02器件资料可知:静态电流IQ典型值为27mA，最大值为40mA;器件的RJC(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W，最大值为2.6℃/W。

器件的功耗为PD:
PD=PDQ+PDOUT
式中PDQ为器件内部电路的功耗，PDOUT为输出功率的功耗。

PDQ=IQ(VS+|-VS|)，PDOUT=V^{2}_{S}/4RL，代入上式
PD=IQ(VS+|-VS|)+V^{2}_{S}/4RL=37mA(36V)+18V2/44=21.6W 式中静态电流取37mA。

散热器热阻RSA计算:RSA≤({T_{J}-T_{A}}over{P_{D}})-(R_{JC}+R_{CS}})
为留有余量，TJ设125℃，TA设为40℃，RJC取最大值(RJC="2".6℃/W)，RCS取0.2℃/W，(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。

将上述数据代入公式得
RSA≤{125℃-40℃}over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W
HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。

注意事项
1.在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为150℃，在设计中留有余地取125℃，环境温度也不能取25℃(要考虑夏天及机箱的实际温度)。

2.散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出)。

3.若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘)。

安装时必须采用云母垫片来绝缘，以防止短路。

4.器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。

为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。

5.另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻，可供设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算，并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用。

6.在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适，必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产。

散热器选型，散热面积理论计算及风扇选择。

(2010-11-23 23:51:57)
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标
签：
杂谈
散热器选择的计算方法
一，各热参数定义：
Rja———总热阻，℃/W；
Rjc———器件的内热阻，℃/W；
Rcs———器件与散热器界面间的界面热阻，℃/W；
Rsa———散热器热阻，℃/W；
Tj———发热源器件内结温度，℃；
Tc———发热源器件表面壳温度，℃；
Ts———散热器温度，℃；
Ta———环境温度，℃；
Pc———器件使用功率，W；
ΔTsa ———散热器温升，℃；
二，散热器选择：
Rsa =(Tj-Ta)／Pc - Rjc -Rcs
式中：Rsa（散热器热阻）是选择散热器的主要依据。

Tj 和Rjc 是发热源器件提供的参数，
Pc 是设计要求的参数，
Rcs 可从热设计专业书籍中查表,或采用Rcs=截面接触材料厚度/（接触面积X接触材料导热系数）。

（1）计算总热阻Rja：Rja= (Tjmax-Ta)／Pc
（2）计算散热器热阻Rsa 或温升ΔTsa：Rsa = Rja－Rtj－Rtc
ΔTsa＝Rsa×Pc
（3）确定散热器
按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据Rsa 或ΔTsa 和Pc 选择散热器，查所选散热器的散热曲线（Rsa 曲线或
ΔTsa 线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的热阻散热器及其对应的风速，根据风速流经散热器截面核算流量及根据散热器流阻曲线上风速对应的阻力压降，选择满足流量和压力工作点的风扇。

散热器热阻曲线
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
三，散热器尺寸设计：
对于散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以下方法确定：
按上述公式求出散热器温升ΔTsa，然后计算散热器的综合换热系数α：
α＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Tf-Ta)／20]}
式中：
ψ1———描写散热器L/b 对α的影响，（L 为散热器的长度，b 为两肋片的间距）；
ψ2———描写散热器h/b 对α的影响，（h 为散热器肋片的高度）；ψ3———描写散热器宽度尺寸W 增加时对α的影响；
√√ [(Tf-Ta)／20]———描写散热器表面最高温度对周围环境的
温升对α的影响；
以上参数可以查表得到。

计算两肋片间的表面所散的功率q0
q0 =α×ΔTfa×（2h+b）×L
根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数n,计算散热功率Pc′
单面肋片：Pc′＝nq0
双面肋片：Pc′＝2nq0
（单面肋，简单的说，就是一边带肋，一边是一个平面。

利于在特定场合下的装配，例如在电源模块上。

）
若Pc′＞Pc 时则能满足要求。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 四，估算散热器表面积：
由Q=HA（T1-T2）结合修正系数推得：
S = 0.86W/(△T*a))
(平方米)
式中
△T——散热器温度与周围环境温度（Ta）之差（℃）；
α（h）——换热系数，是由空气的物理性质及空气流速决定的。

α的值可以表示为:
α= Nu*λ/L
式中λ——热电导率由空气的物理性质决定；
L——散热器高度；
Nu——空气流速系数。

Nu值由下式决定
Nu = 0.664* [(V/V1)^(1/2)]*[Pr^(1/3)]
式中 V——动黏性系数，是空气的物理性质；
V1——散热器表面的空气流速；
Pr——参数（见下表）。

温度t/℃动黏性系数热电导率Pr
0 0.138 0.0207 0.72
20 0.156 0.0221 0.71
40 0.175 0.0234 0.71
60 0.196 0.0247 0.71
80 0.217 0.0260 0.70
100 0.230 0.0272 0.70
120 0.262 0.0285
0.70
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~`
五，计算阻力压降：
计算流经散热器阻力压降：
在算出换热系数h（α）之后，根据预选的散热器表面的空气流速V，计算流经散热器的空气阻力压降：
△P=f*（L/D）*(1/2)*(ρV2)
式中：ΔP ——沿程压力损失，Pa；
V ——空气平均流速，m/s；
f ——沿程阻力系数；
ρ——空气密度，kg/m3；
L ——沿程长度，m；
D ——当量直径，m。

（D=4散热器截面面积/截面周长）。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 六，计算流量：
计算流经散热器流量
Q=AV
式中
Q---流量
A--风量流经散热器截面积
V---风量流经散热器风速
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
七，风扇选择：
根据计算获得的Q和△P，选择风扇PQ曲线内包含Q与△P点即可。

风扇PQ曲线
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线分别代表不同系统的特性曲线。

系统特性曲线与风扇的特性曲线的交点就是该风扇的工作点，推荐系统工作在C 点，低阻力工作点。

芯片散热的热传导计算
技术分类：微处理器与DSP消费电子设计 | 2006-12-04
来源：电子产品世界 | 作者：3M中国有限公司北京技术中心方科
式中：Z为导热材料的热阻抗，A为传热面积。

芯片的工作温度T2为：
T2＝T1+P×R (6)
式中：T1为空气温度；P为芯片的发热功率；R为热传导过程的总热阻。

芯片的热阻和功率可以从芯片和散热器的技术规格中获得，散热器的热阻可以从散热器的技术规格中得到，从而可以计算出芯片的工作温度T2。

实例
下面通过一个实例来计算芯片的工作温度。

芯片的热阻为1.75℃/W，功率为5W，最高工作温度为90℃，散热器热阻为1.5℃/W，导热材料的热阻抗Z为5.8℃cm2/W，导热材料的传热面积为5cm2，周围环境温度为50℃。

导热材料理论热阻R4为：
R4＝Z/A＝5.8 (℃·cm2/W)/ 5(cm2)=1.16℃/W (7)
由于导热材料同芯片和散热器之间不可能达到100％的结合，会存在一些空气间隙，因此导热材料的实际热阻要大于理论热阻。

假定导热材料同芯片和散热器之间的结合面积为总面积的60％，则实际热阻R3为：
R3＝R4/60%＝1.93℃/W (8)
总热阻R为： R="R1"+R2+R3=5.18℃/W (9)
芯片的工作温度T2为： T2＝T1+P×R＝50℃+(5W × 5.18℃/W)＝75.9℃ (10)
可见，芯片的实际工作温度75.9℃小于芯片的最高工作温度90℃，处于安全工作状态。

如果芯片的实际工作温度大于最高工作温度，那就需要重新选择散热性能更好的散热器，增加散热面积，或者选择导热效果更优异的导热材料，提高整体散热效果，从而保持芯片的实际工作温度在允许范围以内。