散热器设计的基本计算

1、散热器设计的基本计算一、概念1、 热路：由热源出发，向外传播热量的路径。在每个路径上，必定经过一些不同的介质，热路中任何两点之间的温度差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻，就像电路中的欧姆定律，与电路等效关系如下。热路电路热耗 P （W）电流 VabI （A）温差 T=T1T2 （）电压 Vab=VaVb （V）热阻 Rth=T/P （/ W）电阻 R=Vab/I （）热阻串联 Rth=Rth1Rth2电阻串联 R=R1R2热阻并联 1/Rth=1/Rth11/Rth2电阻并联 1/R=1/R11/R22、 热阻：在热路中，各种介质及接触状态，对热量的传递表现出的不同阻碍作用在热路中产生温

2、度差,形成对热路中两点间指标性的评价。符号Rth 单位/W。 稳态热传递的热阻计算: Rth= (T1T2)/PT1热源温度（无其他热源） （)T2导热系统端点温度 （) 热路中材料热阻的计算: Rth=L/(KS)L材料厚度 （m)S传热接触面积 （m2)3、 导热率：是指当温度垂直向下梯度为1/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。符号K or 单位Wm-K，常用材料导热率（20取上限值） Wm-K银429橡胶Rubber0.26纯铜401灌封硅胶TCS-2600.577紫铜T1T4397氧化铝陶瓷片佳日丰泰30黄铜30Zn109绝缘布矽胶片佳日丰泰1.6纯铝237导热石墨片佳日

3、丰泰16垂直铝合金10702261900平面铝合金1050209硅胶垫佳日丰泰5.0铝合金6063201矽胶套帽佳日丰泰1.0铝合金6061160相变基膜佳日丰泰1.4铝合金7075130矽硅膜鑫鑫顺源0.9铁80导热膏KDS-20.84不锈钢17空气0.04二、热设计的目标1、 确保任何元器件不超过其最大工作结温（Tjmax） 推荐：器件选型时应达到如下标准民用等级：Tjmax150 工业等级：Tjmax135军品等级：Tjmax125 航天等级：Tjmax105 以电路设计提供的，来自于器件手册的参数为设计目标2、 温升限值器件、内部环境、外壳： T60器件每升高2，可靠性下降10；器件温

4、升为50时，寿命只有温升25的1/6，电解电容温升超过10，寿命下降1/2。三、计算1、 TO220封装散热器管芯j功率外壳c绝缘垫散热器s环境空气a1) 结温计算 热路分析热传递通道：管芯j功率外壳c散热器s环境空气a 注：因Rthca较大，忽略不影响计算，故可省略。RthjaRthjcRthcsRthsa(T结温T环温)/P 条件Rthjc器件手册查询Rthcs材料热阻：Rth绝缘垫=L绝缘垫厚度（K绝缘垫S绝缘垫接触c的面积）Rthsa散热器热阻曲线图查询T结温器件手册查询（待计算数值）T环温任务指标中的工作环境要求P 电路设计计算 计算T结温（RthjcRthcsRthsa）PT环温手

5、册推荐结温 注：注意单位统一；判定结温温升限值是否符合。2) 散热器热阻计算（参见上图）散热器的热阻一般可在由厂家提供的热阻曲线上标出，也可通过测试得出。 测试在被测散热器上安装一发热器（or组）件,固定一个风速（M/S），测量进、出风温度，通过计算，得出该条件下的Rthsa。设定一组风速，得出的不同Rthsa值，绘制出该散热器的热阻曲线，不同长度的散热器，可得到不同的曲线。 条件T进风进口温度T出风相同风速下的出口温度P电路设计计算的，发热器（or组）件的功耗 计算Rthsa（T出风T进风）P 注：亦可根据已有条件，如管芯的T和功耗，计算出所需散热器的热阻上限，在热阻曲线图上选用足够尺寸的散

6、热器。2、共用同一散热器（见右图） 分析对于散热器而言，总的传热功耗为： P总Pj1Pj2那么散热器的温升为： T散热器Rthsa（Pj1Pj2）每只管子的传热路径中，热阻引起的温升为： Tj1（Rthjc1Rthcs1）Pj1 Tj2（Rthjc2Rthcs2）Pj2热路中，所有温升之和加上环境温度就是最大结温，即： Tjmax1Tj1T散热器T环境 Tjmax2Tj2T散热器T环境 条件Pj1电路设计计算Pj2电路设计计算Rthjc1器件手册查询Rthjc2器件手册查询Rthcs1材料热阻：Rth绝缘垫=L绝缘垫厚度（K绝缘垫S绝缘垫接触c的面积）Rthcs2材料热阻：Rth绝缘垫=L绝缘

7、垫厚度（K绝缘垫S绝缘垫接触c的面积）Rthsa散热器热阻曲线图查询T环境任务指标中的工作环境要求 计算J1的最大结温：Tjmax1（Rthjc1Rthcs1）Pj1Rthsa（Pj1Pj2）T环境J2的最大结温：Tjmax2（Rthjc2Rthcs2）Pj2Rthsa（Pj1Pj2）T环境 注： 判定计算出的最大结温，是否小于手册推荐结温； 判定结温温升限值是否符合； 注意计算时单位要统一。四、 经验1、 热路的分析和计算，由于影响因素较为复杂，可以忽略一些影响小的参数，来简化计算，但一定要注意影响趋势的方向，是有利于传热的，可以作为设计余量储备，由于影响小，所以不会影响经济性。2、 还是因为影响因素复杂，理论计算是设计指导，结果一定以试验结论判定，埋点测温是最有效的验证方式。3、 电源的热设计是和电路设计密不可分的，实际情况往往因为空间问题，把散热设计到最大化，也就刚刚满足需求，而热路的设计只能截止到外壳，外壳（或散热器）的温度怎么办？这就需要电路设计来降低功耗，甚至和客户讨论如何给电源