新闻  |   论坛  |   博客  |   在线研讨会
散热器的设计与安装(ZT)
moran | 2008-08-08 16:45:15    阅读:2603   发布文章

一、散热器的设计

 

最简便实用的散热装置就是散热器。一个有许多叶片的散热器或一个面积较大的散热板都会大大增加散热面积,给热的传导、对流和辐射都会带来很大的方便。就理论而言,一个面积无限大的散热器可使热阻为零。但实际上是无法做到这一点的,这是因为散热器使用中占有的空间有限,这就要求合理地选择散热器和计算其面积。

 

根据条件,可以将温度一热流方程写成如下形式:

 

PD(max)=(Tj(max)-TA(max))/θ

 

    式中:PD(max)——半导体三极管最大耗散功率;

          Tj(max)——半导体三极管所允许承受的最高温度;

          TA(max)——要求电路工作时所处的最高环境温度;

          θ——热流所经过的总热阻。

 

从第一节中我们知道:

 

θ=θjc+θcs+θsa

 

    式中:θjc——半导体器件PN结到器件外壳的热阻(℃/W);

          θcs——外壳到散热器的热阻(℃/W);

          θsa——由散热器表面到周围空气中的热阻(℃/W)。

θjc一般由制造商提供,可从手册中查出。θcs根据散热器与外壳的接触形式也可以求出。θsa是控制半导体器件结温三个热阻中最重要的一个参数,在选择散热器时具有重要的作用。该热阻越小,则导致θ越小,半导体器件在不超过最高结温时所使用的功率越大。θsa是热交换系数(hc)和散热面积(A)的函数,有以下关系:
 

热交换系数hc是一个很复杂的函数,很难取一个通用的系数。因此,为方便散热器的选用,常常由提供的各种实用曲线来求得θsa。

 

从θsa公式中可以看到,增大散热器面积可以减小θsa,同样增大热交换系数hc也可以减小θsa。在一般散热装置中,广为采用的是自然对流方式,此时只能采取增加散热器面积的方法来减小θsa。若由于受到空间限制而无法增加散热器面积,θsa的减小往往采用强制对流的方式来实现。

 

下面以7800系列三端集成稳压器来说明散热器的设计方法。

 

已知数据为:PD=8w;Tj(max)=125℃;设TA(max)=60%,手册查得θjc=5℃/W。

 

将数据代入前面的方程,得:

 

    θ=(Tj-TA)/PD

    =(125-60)/8=8.13℃/W

    由于θ=θjc+θcs+θsa,所以

θcs+θsa=θ-θjc=8.13-5=3.13℃/W

 

计算的结果表明,剩下的任务就是选择适当的散热器和确定散热器与7800三端集成稳压器的安装方式,以保证θcs加θsa不大于3.13℃/W。

 

在管壳和散热器的安装中,为防止短路,一般在散热器和管壳之间加有绝缘垫。必须注意的是,绝缘垫应选用同时具有高电阻和低热阻双重特性的材料,如云母片就属此类材料。为了使接触面接触紧密以降低cs,往往在接触面上涂有硅脂。表30-2列出了一些情况下的θcs值。可见,散热器与管壳的连接方式是安装和维修电子设备时应特别注意的。


在本例中,采用不加绝缘垫并加硅脂的接触方式,θ应为0.10℃/W。为了计算的方便和留有余量,取θcs=0.13℃/W。于是得到θsa=3℃/W。根据计算结果,应选取θsa≤3℃/W的散热器。依据图30-4所给出的铝散热板特性曲线,散热器应使用3mm厚的铝板,其面积不小于200cm2,铝散热板且应垂直放置。

 

二、常用铝散热板及散热型材的特性

 

    1.散热板θsa—A关系曲线

 

图30-4~图30-6给出了不同材质及不同安装散热板方式的θsa—A关系曲线。只要经设计计算得知热阻θsa,便可从曲线中求出散热板的厚度及散热面积。

 

2.铝散热型材θsa—V关系曲线

 

图30-7给出的热阻θsa和包络体积V的关系曲线适用于常用梳状截面铝散热器。只要经计算得知热阻θsa,便可从曲线中得出散热器的包络体积V,从而可以根据V参数去选择散热器的截面积和长度。

 

由于铝散热型材品种繁多,各叶片的距离也有很大的差异,因此按图30-7给出的曲线选择散热器时应留有一定的余量为好。

 

对于梳状截面积散热器,通常还可以用下式来估算散热型材的包络体积:


 
式中:PD——功率元件最大耗散功率(W)。
 

三、散热器的使用与安装

 

    ①为保证功率元件与散热器有良好的接触,应尽量避免使用绝缘垫,且应保证功率元件与散热器接触面的平整与光滑。由于功率元件的外壳与散热器很难做到紧密结合,总会留有看不见的空气隙,所以在接触面之间应涂硅脂,以改善接触效果,有利于散热。

 

②当功率元件的外壳与散热器之间需要绝缘时,应加装绝缘垫,但绝缘垫的厚度必须在0.08~0.12mm之间。

 

③功率元件应用弹簧垫圈及螺钉紧固于散热器的中央。

 

④为了增加散热器的热辐射能力,一般都进行着色处理,安装中不可将这种高辐射的涂层损坏。

 

⑤散热器最好垂直安装,不要过于贴近其他部件以利空气对流,尤其不要接近发热及怕热的元器件。

 

⑥散热器应尽量装在机壳外。当散热器装在机内时,要在散热器附近的机壳上开足够的通风孔,必要时应加风机强制对流冷却。

 

⑦选用板材散热时,不宜选用过薄的板材,其厚度应在2~5mm之间。

 

⑧若功率元件的耗散功率大于50W,应选用微型风扇进行强制对流冷却,此时可视情况适当缩小散热器面积2~4倍。

参与讨论
登录后参与讨论
moran  2008-08-08 16:47:24 

刚好朋友需要,就下了,希望对大家有用

推荐文章
最近访客