加散热片，热阻还得相加？

辛昕

加散热片，热阻还得相加？ [复制链接]

这两天，没碰MAX16823的电路设计，更没画PCB。

一个是停下来加紧复习，另一个是心里有点迷迷糊糊，就停一下。

 

手上是停下来，脑子里却一直还在想散热设计的事。

前几天看了本书，基本理解了热阻等概念。

唯独对一个问题非常不理解：

给芯片加上散热片后，总的热阻等于各个热阻的相加之和。

我就想不懂了：原来热阻就够大了，你还要大，那耗散功率岂不是越小？

 

假定空气温度是保持恒定的。而芯片结温又有最高上限，热阻大了，很显然，同样的温差里能承受的功率岂不是更小？

 

这个有点奇怪。

我在网上又看了看，可是发现都是说，“加了散热片就等于热阻相加”。我就觉得莫名其妙。

一阵费解后，我还是想不懂。

 

一直想不去想，却没办法去想，洗澡的时候，试图再次理解。想起刚才最后看到的一个帖子，说过一句这样的话：

好的散热设计可以让芯片外壳温度可以和空气温度一样。

我想了想，忽然有点想通了。

 

整理了一下的思路，我是这么想的：

从结到外壳，这个热阻是固定的，受封装限制，是没法改变的。

但是，从外壳到空气，则是不一样。

之前，说，加散热片就是相加，其实，情况并非如此。（或说我的理解出现了偏差。）

实际上应该是这样，首先，空气是热的不良导体，至少比金属热传导性差很多。那么，这意味着，没加散热片之时，从外壳到外界环境之间，并不是我原先想象的那样，是“什么热阻都没有”，实际上应该等于加了一个阻值很大的热阻。（至少大于金属的热阻）。

 

这个，也可以换个角度理解，壳温和空气之间是有一个比较大的温差的。它能泄下的“功率”很有限。

而一旦加了一个散热片以后，实际上，等于在 壳 和 外界环境 之间 并联了一个小阻值的热阻。和电阻的概念类似，这个并联的小阻值起了主要作用。因此，可以使两者温差较小，或者等同于可以从壳处往空气中卸下更大的“功率”。

 

用数学的角度理解就是，这个散热片，让壳温下降，那，从结到壳之间，温差增大，而热阻不变，自然的，耗散功率也就上去了。

 

至于另一个问题，关于买散热片，一般问的是 散热片的热功率，这个应该如何换算成温度和耗散功率的增量，我一时还没想明白。

先把以上的这些理解打出来，期待各位大大给个判断——我这么理解对还是不对？

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dale

以 NS LM1117 舉例, 這顆IC TO-220 包裝的 θj-c 是 3 ℃/W, 但是不加散熱片的 θj-a 是 79 ℃/W,
若是加了一個 15 ℃/W 的散熱片, 絕緣片假設是 1℃/W, 那麼 θj-a 將是

3 + 1 + 1.5 = 5.5 (℃/W), 遠小於不加散熱片的 79 ℃/W

底下是公式, 芯片內部接合面到最外圍的環境溫度, 都是有熱阻的,
熱量由接合面到空氣的傳遞會經過這些熱阻, 所以熱阻當然是相加了,
而散熱片面積越大, 熱阻越小, 能夠傳遞出去的熱量也就越多.

Ptot = (Tj max-Ta) / (θj-c+θc-s+θs-a)

Ptot=總功率,　Tj max=接合面最高溫度,　Ta = 外界空氣溫度,　θ=℃每瓦。
θj-c：接合面到外殼熱阻係數,取決於半導體種類,廠家資料手冊可查得。
θc-s：外殼到散熱器熱阻係數。決定於半導體和散熱器間介面種類、組合情況。
θs-a：散熱器到外界空氣熱阻係數,取決於散熱器種類。

[ 本帖最后由 dale 于 2010-10-31 02:41 编辑 ]

tablexp

谢谢这种设计思路分享。

仙猫

　dale解释得真不错，结合一个实例，就什么都清楚了。
　但从LM1117的数据联想起一点借本帖讨论一下：这个实例的θjc（3 ℃/W,）和θja（79 ℃/W）相差很大，于是散热片的效果会十分明显。又顺手查看了TI产的ULN200xA，其DIP封装的θjc和θja分别是54 ℃/W和67℃/W，非常接近，这是不是就意味着该芯片装散热器的效果并不太大，即使装上无限大的散热器，每W也只能降温67-54=13℃？

dale

以ULN200x 為例, N package的 θjc 是 54 ℃/W, θja 是 67 ℃/W.
那麼 θca (case to ambient) 就是 13 ℃/W.

雖然這個值看起來不大, 但是再看看這顆IC 工作時的消耗功率:

Vce(set) * Ic = 1.6V(max) * 350mA = 0.56W (在 Ii = 500uA 時)

也就是每一個通道最多消耗 0.56W 的功率, ULN2003A 是7通道,
7 * 0.56 = 3.92W
若是 7個通道全在導通狀態, 沒有散熱片與無限大散熱片的差異將大到

13 * 3.92 = 50.96 ℃

回頭再看 Pd(Power dissipation)
Pd = (Tj(max) - Ta) / θja = (150 - 25)/54 = 2.31W
也就是這顆IC 最大的 Pd 只能達到 2.31W, 無法達到 3.92W.
那麼加無限大的散熱片是無意義的.

這就提供我們選擇散熱片的幾個方向:
1. 這顆IC 的功率消耗是否需要加散熱片
2. 散熱片的熱阻值
3. 散熱片的尺寸

仙猫

　谢谢深入的讨论。 联想到现在有些芯片在底部做一个散热的PAD，估计ULN200xA（较陈旧了）对散热考虑得不多，所以热阻θjc很大。其实它的DIP封装也做不到 7路×0.56W＝3.92W，因为手册上已限制了在350mA下如7路并举，最多只能用到20% duty，不允许过连续电流的，所以也许用这款达林顿管型输出的芯片时本来就不该考虑散热片，要想散热还不如改用单管输出的芯片或MOSFET。

 

仙猫

1？这回贴图倒没见盖章了，咋回事？
不被盖章的感觉，真好。

drjloveyou

谢谢，受益匪浅

liyang121316

谢谢高手们，电子小虾在此受益匪浅

dale

呵呵, 早上沒注意到是仙貓回覆的討論帖.
仙貓是個技術能力很強的人啊.

為何 ULN200xA 的 θjc 很大(54 ℃/W), 而 LM1117 的 θjc 只有 3 ℃/W ?
包裝就是最大的問題.
ULN200xA 的 N package 是塑料包裝, 對於熱的傳導能力很差
而 LM1117 的外殼有金屬, 芯片直接與外層金屬連接, 所以可以有極低的 θjc.

詳細的圖可以參考 NS LM1117 datasheet 第21 頁 Figure 5

dale

抱歉, 多按了一次回復
[ 本帖最后由 dale 于 2010-11-1 23:08 编辑 ]

辛昕

额，这周太忙了，一堆的事情，所以应急灯也放在一边，好几天没上论坛，不是写 就业推荐表 的 自我鉴定 ，把论坛的链接抄上去，我都没打开论坛，更不知道这个我纠结的问题，居然有了这么多高人的回复！！
有点晚了，先回复表示感激。回头研究哈！

辛昕

大叔是个真正的高人啊，这段时间N多问题都靠他给我指点。记得在这个群里，前后接触过三个年龄，资历，技术相当的高人：
一个是仙猫大叔
一个是XIAOXIF大叔，不过他最近可能很忙，好久不见来了。
另一个是QUANZX大叔，他也是好久没来了。

smtsmt10

思路很好。

辛昕

很悲剧的一件事情是，很多PDF里，只给了TA下的热阻，没有TC。

比如MAX16823 。

 

还剩下一个问题，那就是，买散热片一般是给热功率，那，这个热功率是以多大的温差计算的呢？

 

之前，LEARN521给过我一个热功率的概念，就是，好比一个IC的 耗散功率是 1W。而它的结和壳能承受的最大温差是125度，则，它的热功率是1.25W。

那么，买散热片，给的是热功率，可是温差呢？这个是否有个标准呢？

 

 

 

[ 本帖最后由 辛昕 于 2010-11-2 14:02 编辑 ]

辛昕

谢谢dale和大叔的指教。
但是有点美中不足的是，实际上平时买的普通的散热片，人家不会给你提供 热阻，一般只会问功率，甚至连功率也不问。
可是，有了这个功率，似乎还缺点什么。
比如说，以TIP41C为例，TC=25 P=65W
TA=25 P=2W。
可以计算，J-A的热阻是62。5 度/W J-C的热阻是1.92度/W
假设现在买了一块散热片，并告知功率是3W。
我们可以假设在密闭环境中的空气温度在50到60度之间，假定为60度，反正当成一个定值。
可是，我们并不能确定散热片两端的温差，因为，TC不知道。
在有的芯片里，比如,MAX16823，它倒是给出一个参数是TC=70度时的耗散功率，但是，我们并不能假定，上了散热片，TC就等于70度或者80度，或者什么值。
因此，我们无法求得散热片的热阻，或者说，我们没办法确定加装散热片后，实际上耗散功率可以去到哪里？

关于散热片的热阻这个问题，我曾经试过询问过买家，有实体店的，有网店的，虽然问得不多，但基本上都说没这个参数。
而在网上查，仍然是没查到这个参数的有关介绍，甚至有一篇文章说，国内的厂家做的散热片，实际上就是做一块铝，然后把它染黑，至于热阻这样的最基本的参数，他们恐怕听都没听说过。
那么，这个问题，不知道，两位有啥可以指教的呢？

仙猫

正规的散热片产品应该是有热阻数据的，给不出说明啥？这个就就就啥了……

 

参考：某散热器的网页

http://www.ctscorp.com/components/heat_sinks/heat_dissipators.htm

 

dale

再以 TIP31C 舉例, 根據 datasheet:
Tj(max) = 150 ℃
環境溫度假設 60 ℃
未加散熱片時 θj-a = 62.5 ℃/W
Ptot = (Tj max-Ta) / (θj-a) = (150-60) / 62.5 = 1.44W

加了一個 H 型小型散熱片, 假設熱阻 = 15 ℃/W
TIP31C 與散熱片之間的絕緣墊片熱阻假設為 1 ℃/W
TIP31C 的 θj-c 是 1.92 ℃/W
Ptot = (Tj max-Ta) / (θj-c+θc-s+θs-a) = (150 - 60) / (1.92 + 1 + 15) = 5.02 W

MAX16823 的 datasheet 資料不齊全, 只能算出 θj-a (TQFN package)
Ptot = (Tj max-Ta) / (θj-c+θc-s+θs-a)
2.666W = (150 - 70) / θj-a
θj-a = (150 - 70) / 2.666W  = 30 ℃/W

我們可以不知道 Tc, 因為計算公式裡面用不到.
至於你們所說的熱功率, 我不知道是怎麼計算的, 所以無法回答.

這是台灣的一個網站, 有提供大多數型號散熱片的熱阻值, 參考看看吧.
http://www.kinsten.com.tw/KINJ.ASP?offset=50

北京无线联

怎么样才能够有精华帖呀，难道只是版主评论的吗

pcfan_lhf

热阻是这样理解的，不是并上去
从结到壳有个热阻，从壳到空气也就是环境有个热阻，如果不加散热片，从壳到空气的热阻会很大，比如60度/W，也就是要想散热1W需要60度的温差，加了散热片后，这个热阻就小了，经绍加个10度/W的温差，同样散热1W只需要10度的温差。
从节到空气的热阻主要包括如下：Rjc+Rcs+Rsa，分别是Rjc节到壳的热阻，这个固定手册上可查，一般2或3，Rcs是壳到散热片的热阻，一般取1，主要取决于是否使用硅脂，绝缘粒等，Rsa是散热片到空气的热阻，取决于散热片的材质，面积、工艺，空气流动速度等。

有了上述公式后，手册查一下节可以工作的最高温度Tj=125度，功耗（电流*电压），Ta环境温度80（环境温度要比实际空气温度大，要看具体环境，密闭机箱温度肯定就高很多）那么功耗*（Rjc+Rcs+Rsa)+Ta
码字太累，说得可能有点乱，简单说，  芯片工作时，会产生热量（耗散功率，二极管就是0.7*电流，），这个热量*从结到空气的总热阻，就是温升，温升+空气温度<结所能允许的最大值。从结到空气的总热阻Rja=Rjc(结到壳)+Rcs(壳到散热片)+Rsa(散热片到环境)，环境温度要比实际温度高，主要看使用环境，是密闭机箱还是其它情况。