новости

Как рассчитать размер радиатора для теплового проектирования электроники?

Прямой ответ: размер радиатора рассчитывается путем определения общего требуемого теплового сопротивления от перехода до окружающего воздуха, а затем выбора радиатора, тепловое сопротивление которого (в °C/Вт) равно или ниже расчетного значения. Конкретно, требуемое сопротивление радиатора равно (Tj_max - Ta_max) / P - Rjc - Rcs, где Tj_max — максимальная температура перехода, Ta_max — максимальная температура окружающей среды, P — рассеиваемая мощность, Rjc — тепловое сопротивление переход-корпус, а Rcs — тепловое сопротивление интерфейса корпус-радиатор. Для типичной рассеиваемой мощности 10 Вт при температуре окружающей среды 60°C и предельной температуре перехода 125°C требуется радиатор с сопротивлением приблизительно 4,5 °C/Вт или ниже, что соответствует алюминиевому экструдированному профилю с естественной конвекцией размером примерно 75 мм x 75 мм x 25 мм.

Что такое фундаментальное уравнение для расчета размера радиатора?

Основной расчет основан на аналогии с тепловой цепью, где тепло течет от полупроводникового перехода к окружающему воздуху через три последовательных сопротивления: переход-корпус (Rjc), корпус-радиатор (Rcs) и радиатор-окружающая среда (Rsa). Управляющее уравнение: Tj = Ta + P x (Rjc + Rcs + Rsa), которое преобразуется для решения относительно требуемого сопротивления радиатор-окружающая среда: Rsa = (Tj - Ta) / P - Rjc - Rcs. Все значения в этом уравнении должны быть в согласованных единицах: температура в градусах Цельсия, мощность в ваттах, тепловое сопротивление в градусах Цельсия на ватт (°C/Вт). Например, для MOSFET с Rjc 0,5 °C/Вт, с использованием термопрокладки 0,1 мм с Rcs 0,3 °C/Вт, рассеивающего 15 Вт при температуре окружающей среды 50°C и пределе температуры перехода 150°C, требуется Rsa = (150 - 50)/15 - 0,5 - 0,3 = 5,87 °C/Вт.

Как определить максимально допустимую температуру перехода и условия окружающей среды?

Максимальная температура перехода (Tj_max) указана в техническом описании компонента и обычно составляет от 125°C для кремниевых MOSFET до 150°C для карбид-кремниевых приборов, при этом некоторые компоненты автомобильного класса рассчитаны на 175°C. Это значение всегда необходимо снижать на 20-30% для обеспечения надежности в приложениях с длительным сроком службы, что означает, что проектировать следует на целевую температуру перехода 85-100°C, а не на абсолютный максимум. Максимальная температура окружающей среды (Ta_max) — это наихудшая температура воздуха вокруг радиатора, а не комнатная температура; для герметичных корпусов она может быть на 10-20°C выше внешней среды. Например, источник питания в помещении с температурой 40°C внутри герметичного металлического корпуса может иметь внутреннюю температуру окружающей среды 55-60°C, и именно это значение необходимо использовать в расчете.

Какие значения теплового сопротивления нужны из технического описания компонента?

Тепловое сопротивление переход-корпус (Rjc) всегда указано в техническом описании компонента, обычно в разделе «Тепловые характеристики», и составляет от 0,2 °C/Вт для больших корпусов TO-247 до 3,5 °C/Вт для малых приборов SOT-23. Сопротивление корпус-радиатор (Rcs) зависит от материала интерфейса: голый металл-металл с термопастой дает 0,1-0,3 °C/Вт, силиконовая прокладка 0,25 мм дает 0,5-1,0 °C/Вт, а слюдяная шайба с пастой дает 0,4-0,8 °C/Вт. Также необходимо учитывать усилие прижима и плоскостность поверхности; типичные экструдированные алюминиевые радиаторы имеют плоскостность 0,05 мм на 100 мм, что требует использования термоинтерфейсного материала для заполнения микрозазоров. Для мощных IGBT-модулей Rcs с материалом с фазовым переходом может быть всего 0,02 °C/Вт при правильной затяжке с моментом 3 Н·м.

Как рассчитать требуемое тепловое сопротивление радиатора на практическом примере?

Рассмотрим реальный пример: линейный стабилизатор напряжения, рассеивающий 20 Вт, с максимальной температурой перехода 125°C, работающий при максимальной температуре окружающей среды 50°C. Техническое описание дает Rjc = 1,0 °C/Вт для корпуса TO-220, и планируется использовать термопасту с Rcs = 0,2 °C/Вт. Расчет: Rsa = (125 - 50)/20 - 1,0 - 0,2 = 75/20 - 1,2 = 3,75 - 1,2 = 2,55 °C/Вт. Необходимо выбрать радиатор с тепловым сопротивлением 2,55 °C/Вт или ниже при фактических условиях воздушного потока; экструдированный радиатор с естественной конвекцией размером 100 мм x 100 мм x 40 мм с основанием 12 мм обычно обеспечивает 2,0-2,5 °C/Вт на свободном воздухе. При добавлении принудительного обдува 200 LFM (линейных футов в минуту) тот же радиатор снижается до приблизительно 0,8-1,0 °C/Вт, что позволяет использовать гораздо меньший профиль.

В чем разница между естественной конвекцией и принудительным воздушным охлаждением при расчете размера?

Радиаторы с естественной конвекцией полагаются на воздушный поток, вызванный выталкивающей силой, и обычно достигают теплового сопротивления 1,0-10 °C/Вт в зависимости от размера и геометрии ребер, с практическим пределом около 0,5 °C/Вт для очень больших пассивных радиаторов. Принудительное воздушное охлаждение с вентилятором при 200-400 LFM может снизить тепловое сопротивление на 50-70% по сравнению с естественной конвекцией, но необходимо учитывать надежность вентилятора, шум и потребляемую мощность. Точка перехода составляет около 5-10 Вт рассеиваемой мощности для естественной конвекции; выше 10 Вт принудительный обдув становится необходимым для практичных размеров радиатора. Например, радиатор 50 мм x 50 мм x 25 мм имеет около 5,5 °C/Вт при естественной конвекции, но снижается до 1,8 °C/Вт при 300 LFM, что означает, что он может рассеивать 18 Вт вместо 6 Вт при том же повышении температуры перехода.

Как размеры радиатора и геометрия ребер влияют на тепловое сопротивление?

Тепловое сопротивление радиатора в первую очередь определяется общей площадью поверхности, высотой ребер, расстоянием между ребрами и толщиной основания. Расстояние между ребрами 6-10 мм оптимально для естественной конвекции, тогда как расстояние 3-5 мм лучше работает при принудительном обдуве, поскольку более плотное расположение ограничивает естественный воздушный поток. Высота ребер должна составлять 10-25 мм для естественной конвекции; более высокие ребра свыше 25 мм дают убывающую отдачу, поскольку эффективность ребер падает ниже 80%. Толщина основания должна быть не менее 5 мм для площади 50 мм x 50 мм для эффективного распределения тепла; основание 10-12 мм рекомендуется для источников тепла размером более 30 мм в одном измерении. Эмпирическое правило объема радиатора для естественной конвекции — 10-15 кубических сантиметров на ватт, поэтому для приложения с 10 Вт требуется примерно 100-150 куб. см алюминиевого объема, что соответствует профилю 100 мм x 100 мм x 12 мм.

Каковы практические шаги для проверки расчета размера радиатора?

После расчета требуемого Rsa необходимо проверить выбор по техническим описаниям производителя, в которых указаны кривые теплового сопротивления в зависимости от воздушного потока для каждого экструзионного профиля. Всегда применяйте коэффициент запаса 1,2-1,5 к расчетному Rsa для учета накопления пыли, теплового старения интерфейсных материалов и разброса от компонента к компоненту; например, если вы рассчитали 2,55 °C/Вт, выбирайте радиатор с номиналом 1,7-2,1 °C/Вт. Также следует выполнить тепловое моделирование с использованием CFD-инструментов, таких как FloTHERM или Icepak, для сложных геометрий, но для простых пластинчато-реберных радиаторов достаточно аналитического расчета с запасом 10-20%. Наконец, создайте прототип и измерьте фактическую температуру перехода с помощью термопары на корпусе или инфракрасной камеры; измеренная температура должна быть в пределах 5-10°C от расчетного значения, и если она выше, необходим больший радиатор или улучшенный воздушный поток.

Когда следует использовать тепловую трубку или жидкостное охлаждение вместо обычного радиатора?

Когда расчетный объем радиатора превышает 500 кубических сантиметров для естественной конвекции или требуемое Rsa ниже 0,2 °C/Вт при принудительном обдуве, следует рассмотреть тепловые трубки или жидкостное охлаждение. Тепловые трубки имеют эффективную теплопроводность 5000-10000 Вт/м·К, что позволяет передавать тепло от небольшого источника к большому удаленному реберному блоку; они идеально подходят для кулеров процессоров и светодиодных модулей, где пространство ограничено вблизи источника тепла. Системы жидкостного охлаждения достигают значений Rsa 0,05-0,15 °C/Вт с радиатором 120 мм и насосом, но добавляют сложность, стоимость (обычно $50-$150 за систему) и обслуживание. Для большинства промышленных электронных устройств мощностью ниже 100 Вт правильно подобранный экструдированный алюминиевый радиатор с принудительным обдувом является наиболее экономичным решением с общей стоимостью системы $10-$30, включая вентилятор.

Какие материалы и производственные процессы лучше всего подходят для радиаторов?

Экструдированный алюминий 6063-T5 является отраслевым стандартом для радиаторов благодаря теплопроводности 200 Вт/м·К, низкой стоимости ($3-$5 за килограмм) и простоте экструзии в сложные реберные профили. Для более высокой производительности медные радиаторы обеспечивают 390 Вт/м·К, но стоят в 3-4 раза дороже и в 3 раза тяжелее, поэтому используются только в приложениях с ограниченным пространством или высоким тепловым потоком. Радиаторы со строгаными ребрами, изготовленные путем нарезания ребер из цельного медного или алюминиевого блока, достигают плотности ребер 15-30 ребер на дюйм с низким тепловым сопротивлением, но стоят $20-$80 за штуку. Радиаторы со связанными и гофрированными ребрами используются для крупносерийных недорогих применений, где экструзия невозможна; они имеют несколько более высокое тепловое сопротивление из-за соединения ребра с основанием, что обычно добавляет 0,1-0,3 °C/Вт.

Как учесть влияние высоты над уровнем моря и корпуса при расчете размера радиатора?

На больших высотах свыше 1000 метров плотность воздуха снижается, что уменьшает теплопередачу естественной конвекцией примерно на 1% на каждые 100 метров; на высоте 3000 метров требуется радиатор на 20-30% больше для той же производительности. В герметичных корпусах внутренняя температура воздуха повышается выше внешней температуры окружающей среды, и необходимо рассчитать тепловое сопротивление корпуса по формуле R_корпуса = 1/(h x A), где h — коэффициент конвекции (5-10 Вт/м²·К для естественной конвекции на стенках корпуса), а A — площадь поверхности корпуса. Для герметичного металлического корпуса 0,5 м x 0,5 м x 0,2 м с площадью поверхности 0,7 м² тепловое сопротивление корпуса составляет приблизительно 0,2 °C/Вт, поэтому если электроника рассеивает 50 Вт, внутренняя температура окружающей среды повышается на 10°C выше внешнего воздуха. Это повышение температуры необходимо добавить к значению Ta_max перед выполнением расчета радиатора.

Какова формула для расчета размера радиатора?

Формула: Rsa = (Tj_max - Ta_max) / P - Rjc - Rcs, где Rsa — требуемое тепловое сопротивление радиатора. Например, при Tj_max = 125°C, Ta_max = 50°C, P = 20 Вт, Rjc = 1,0 °C/Вт, Rcs = 0,2 °C/Вт требуется Rsa = 2,55 °C/Вт.

Какая площадь поверхности нужна для радиатора на 10 Вт?

Для естественной конвекции требуется приблизительно 100-150 см² открытой площади поверхности на ватт рассеиваемой мощности. Приложение с 10 Вт, следовательно, требует 1000-1500 см² площади поверхности ребер, что соответствует экструдированному радиатору 100 мм x 100 мм x 25 мм с 10 ребрами.

Каково типичное значение теплового сопротивления стандартного экструдированного радиатора?

Стандартный экструдированный радиатор 100 мм x 100 мм x 25 мм с черным анодированием имеет тепловое сопротивление приблизительно 2,5-3,5 °C/Вт при естественной конвекции. При принудительном обдуве 300 LFM тот же радиатор снижается до 0,8-1,2 °C/Вт.

Сколько стоит нестандартный экструдированный радиатор?

Оснастка для экструзии нестандартного профиля радиатора стоит $1500-$5000 в зависимости от сложности и размера матрицы. Стоимость за единицу для партии 1000 штук обычно составляет $3-$8 за штуку, при этом анодирование добавляет $0,5-$1,5 за единицу, а механическая обработка добавляет $2-$5 за единицу.

Когда следует использовать анодированный радиатор?

Анодирование повышает коэффициент излучения с 0,1 для голого алюминия до 0,85 для черного анодированного, что улучшает лучистую теплопередачу до 30% в приложениях с естественной конвекцией. Для принудительного воздушного охлаждения анодирование имеет минимальный эффект, и голый алюминий допустим, но анодирование также обеспечивает коррозионную стойкость.

Можно ли использовать меньший радиатор при увеличении воздушного потока?

Да, удвоение воздушного потока с 200 до 400 LFM обычно снижает тепловое сопротивление на 30-50%. Это позволяет использовать радиатор на 40-60% меньший по объему, но необходимо добавить стоимость вентилятора $3-$10 и учесть риск отказа вентилятора.

В чем разница между тепловым сопротивлением и тепловым импедансом?

Тепловое сопротивление — это установившееся значение, измеренное при постоянной мощности, тогда как тепловой импеданс — это зависящее от времени значение, включающее переходные процессы. Для импульсных нагрузок используются кривые переходного теплового импеданса из технического описания для определения пиковой температуры во время импульса, которая может быть ниже установившейся температуры.

После завершения расчета тепловой конструкции вам нужен производственный партнер, способный изготовить радиатор по вашим точным спецификациям с требуемыми допусками и качеством поверхности. Компания BQUQ имеет 20-летний опыт в области станков с ЧПУ и алюминиевой экструзии для радиаторов, с возможностью выдерживать допуски ±0,05 мм по критическим размерам и поставлять опытные образцы за 5-7 дней. Мы предоставляем бесплатный анализ тепловой конструкции и можем рекомендовать оптимальную геометрию радиатора для вашего применения на основе наших внутренних испытательных данных. Для получения коммерческого предложения в течение 12 часов отправьте ваши файлы конструкции и тепловые требования на sc@bquq.com, свяжитесь с нами в WhatsApp по номеру +86 13713157787 или посетите www.bquq.com для подачи запроса онлайн.

Похожие Статьи

• Как прикрепить радиатор без винтов: руководство по термоклею
• Новый автомобиль энергии IGBT тепловыделение, радиатор надежность машиностроения, тепловые трубы и температурные пластины интегрированный радиатор, обработка поверхности и повышение теплового излучения: анодное окисление, черное покрытие и микро-нано структуры, графен / 3D-печать / интеллектуальное управление теплом: 2030 радиатор технологии дорожная карта
• Базовая станция 5G наружное охлаждение AAU: задача климатической адаптации безвентиляторного пассивного дизайна