一、概念

1、熱路:由熱源出發(fā),向外傳播熱量的路徑。在每個(gè)路徑上,必定經(jīng)過一些不同的介質(zhì),熱路中任何兩點(diǎn)之間的溫度差,都等于器件的功率乘以這兩點(diǎn)之間的熱阻,就像電路中的歐姆定律,與電路等效關(guān)系如下。
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2、熱阻:在熱路中,各種介質(zhì)及接觸狀態(tài),對(duì)熱量的傳遞表現(xiàn)出的不同阻礙作用——在熱路中產(chǎn)生溫度差,形成對(duì)熱路中兩點(diǎn)間指標(biāo)性的評(píng)價(jià)。
符號(hào)——Rth          單位——℃/W。
穩(wěn)態(tài)熱傳遞的熱阻計(jì)算:  Rth= (T1-T2)/P
T1——熱源溫度(無其他熱源)(℃)
T2——導(dǎo)熱系統(tǒng)端點(diǎn)溫度  (℃)
熱路中材料熱阻的計(jì)算:  Rth=L/(K·S)
L——材料厚度 (m)
S——傳熱接觸面積 (m2)
3、導(dǎo)熱率:是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1℃/m時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量。
符號(hào)——K or λ         單位—— W/m-K,
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二、熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)
1、  確保任何元器件不超過其最大工作結(jié)溫(Tjmax)
推薦:器件選型時(shí)應(yīng)達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)民用等級(jí):Tjmax≤150℃       工業(yè)等級(jí):Tjmax≤135℃
軍品等級(jí):Tjmax≤125℃       航天等級(jí):Tjmax≤105℃
以電路設(shè)計(jì)提供的,來自于器件手冊(cè)的參數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)
2、  溫升限值
器件、內(nèi)部環(huán)境、外殼:△T≤60℃
器件每升高2℃,可靠性下降10%;器件溫升為50℃時(shí),壽命只有溫升25℃的1/6,電解電容溫升超過10℃,壽命下降1/2。
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三、計(jì)算
1、  TO220封裝+散熱器
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結(jié)溫計(jì)算
熱路分析
熱傳遞通道:管芯j→功率外殼c→散熱器s→環(huán)境空氣a
注:因Rthca較大,忽略不影響計(jì)算,故可省略。
Rthja≈Rthjc+Rthcs+Rthsa≈(T結(jié)溫-T環(huán)溫)/P
條件
Rthjc——器件手冊(cè)查詢
Rthcs——材料熱阻:Rth絕緣墊=L絕緣墊厚度/(K絕緣墊·S絕緣墊接觸c的面積)
Rthsa——散熱器熱阻曲線圖查詢
T結(jié)溫——器件手冊(cè)查詢(待計(jì)算數(shù)值)
T環(huán)溫——任務(wù)指標(biāo)中的工作環(huán)境要求
P ——電路設(shè)計(jì)計(jì)算
計(jì)算
T結(jié)溫=(Rthjc+Rthcs+Rthsa)·P+T環(huán)溫<手冊(cè)推薦結(jié)溫
注:注意單位統(tǒng)一;判定結(jié)溫溫升限值是否符合。
散熱器熱阻計(jì)算(參見上圖)
散熱器的熱阻一般可在由廠家提供的熱阻曲線上標(biāo)出,也可通過測(cè)試得出。
測(cè)試
在被測(cè)散熱器上安裝一發(fā)熱器(or組)件,固定一個(gè)風(fēng)速(M/S),測(cè)量進(jìn)、出風(fēng)溫度,通過計(jì)算,得出該條件下的Rthsa。設(shè)定一組風(fēng)速,得出的不同Rthsa值,繪制出該散熱器的熱阻曲線,不同長度的散熱器,可得到不同的曲線。
條件
T進(jìn)風(fēng)——進(jìn)口溫度
T出風(fēng)——相同風(fēng)速下的出口溫度
P——電路設(shè)計(jì)計(jì)算的,發(fā)熱器(or組)件的功耗
計(jì)算Rthsa=(T出風(fēng)-T進(jìn)風(fēng))/P
 注:亦可根據(jù)已有條件,如管芯的△T和功耗,計(jì)算出所需散熱器的熱阻上限,在熱阻曲線圖上選用足夠尺寸的散熱器。
2、共用同一散熱器(見下圖)
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分析
對(duì)于散熱器而言,總的傳熱功耗為:
P總=Pj1+Pj2
那么散熱器的溫升為:
       △T散熱器=Rthsa·(Pj1+Pj2)
每只管子的傳熱路徑中,熱阻引起的溫升為
△Tj1=(Rthjc1+Rthcs1)·Pj1      △Tj2=(Rthjc2+Rthcs2)·Pj2
熱路中,所有溫升之和加上環(huán)境溫度就是最大結(jié)溫,即
 Tjmax1=△Tj1+△T散熱器+T環(huán)境    
Tjmax2=△Tj2+△T散熱器+T環(huán)境
條件
Pj1——電路設(shè)計(jì)計(jì)算
Pj2——電路設(shè)計(jì)計(jì)算
Rthjc1——器件手冊(cè)查詢
Rthjc2——器件手冊(cè)查詢
Rthcs1——材料熱阻:Rth絕緣墊=L絕緣墊厚度/(K絕緣墊·S絕緣墊接觸c的面積)
Rthcs2——材料熱阻:Rth絕緣墊=L絕緣墊厚度/(K絕緣墊·S絕緣墊接觸c的面積)
Rthsa——散熱器熱阻曲線圖查詢
T環(huán)境——任務(wù)指標(biāo)中的工作環(huán)境要求
計(jì)算
J1的最大結(jié)溫:Tjmax1=(Rthjc1+Rthcs1)·Pj1+Rthsa·(Pj1+Pj2)+T環(huán)境
J2的最大結(jié)溫:Tjmax2=(Rthjc2+Rthcs2)·Pj2+Rthsa·(Pj1+Pj2)+T環(huán)境
注: 判定計(jì)算出的最大結(jié)溫,是否小于手冊(cè)推薦結(jié)溫;判定結(jié)溫溫升限值是否符合;注意計(jì)算時(shí)單位要統(tǒng)一。
經(jīng)驗(yàn)
1、熱路的分析和計(jì)算,由于影響因素較為復(fù)雜,可以忽略一些影響小的參數(shù),來簡(jiǎn)化計(jì)算,但一定要注意影響趨勢(shì)的方向,是有利于傳熱的,可以作為設(shè)計(jì)余量儲(chǔ)備,由于影響小,所以不會(huì)影響經(jīng)濟(jì)性。
2、還是因?yàn)橛绊懸蛩貜?fù)雜,理論計(jì)算是設(shè)計(jì)指導(dǎo),結(jié)果一定以試驗(yàn)結(jié)論判定,埋點(diǎn)測(cè)溫是最有效的驗(yàn)證方式。
3、電源的熱設(shè)計(jì)是和電路設(shè)計(jì)密不可分的,實(shí)際情況往往因?yàn)榭臻g問題,把散熱設(shè)計(jì)到最大化,也就剛剛滿足需求,郭鵬學(xué)暖通而熱路的設(shè)計(jì)只能截止到外殼,外殼(或散熱器)的溫度怎么辦?這就需要電路設(shè)計(jì)來降低功耗,甚至和客戶討論如何給電源散熱,這就需要我們是否能提的出所有計(jì)算數(shù)據(jù)。
4、關(guān)于余量問題,建議只要滿足結(jié)溫和溫升限制,即可保證產(chǎn)品工作的可靠性。
5、熱設(shè)計(jì)的裝配工藝應(yīng)符合相應(yīng)的工藝規(guī)范,首先確保裝配的難度不大,其次考慮裝配的步驟減少,即適應(yīng)批量的流水裝配作業(yè)。