новости

Как рассчитать размер радиатора для вашего электронного корпуса

Прямой ответ

Чтобы рассчитать размер радиатора для электронного корпуса, необходимо определить требуемое суммарное тепловое сопротивление (Rth, в °C/Вт) по формуле Rth = (Tj_max - Ta_max - P × Rth_jc - P × Rth_cs) / P, где P — полная рассеиваемая мощность в ваттах, Tj_max — максимальная температура перехода (обычно 125°C для кремния), Ta_max — максимальная температура окружающей среды внутри корпуса (часто 40-70°C), Rth_jc — тепловое сопротивление переход-корпус (из технического описания), а Rth_cs — тепловое сопротивление корпус-радиатор (обычно 0,1-0,5°C/Вт с теплопроводящей пастой). После получения требуемого значения Rth выберите радиатор с тепловым сопротивлением, равным или меньшим этого значения, затем проверьте внутренний воздушный поток корпуса и ограничения по монтажу. Для типичного источника питания мощностью 50 Вт в герметичном алюминиевом корпусе толщиной 5 мм при температуре окружающей среды 50°C потребуется радиатор с Rth приблизительно 1,0-1,5°C/Вт, что соответствует экструдированному алюминиевому ребристому профилю размером 150 мм x 100 мм x 40 мм.

Цепь тепловых сопротивлений и основное уравнение

Каждый электронный корпус имеет тепловой путь от полупроводникового перехода до внешней среды. Этот путь состоит из четырех последовательных сопротивлений: переход-корпус (Rth_jc), корпус-радиатор (Rth_cs), радиатор-окружающая среда (Rth_sa) и, в некоторых случаях, сопротивление стенки корпуса. Полное системное сопротивление является суммой всех этих значений. Максимально допустимое полное сопротивление рассчитывается как:

Rth_total = (Tj_max - Ta_max) / P

Например, для IGBT-модуля с номинальным Tj_max = 150°C, Ta_max = 45°C внутри корпуса и P = 200 Вт, допустимое полное сопротивление составляет (150 - 45) / 200 = 0,525°C/Вт. Если Rth_jc модуля составляет 0,12°C/Вт, а теплопроводящий интерфейсный материал добавляет 0,05°C/Вт, радиатор должен обеспечивать не более 0,525 - 0,12 - 0,05 = 0,355°C/Вт. Это значительный радиатор. BQUQ рекомендует всегда добавлять запас прочности 15-20% к расчетному Rth для учета старения теплопроводящей пасты и накопления пыли на ребрах, что означает, что целевой Rth_sa в данном случае должен составлять 0,28-0,30°C/Вт.

Объем корпуса и повышение температуры внутреннего воздуха

Температура воздуха внутри корпуса не равна температуре внешней среды. В герметичных корпусах внутренняя температура может быть на 15-30°C выше, чем снаружи, из-за задержки тепла. Повышение внутренней температуры приближенно определяется по формуле:

ΔT_internal = P × Rth_enclosure_wall

Для алюминиевого корпуса толщиной 3 мм с площадью поверхности 0,5 м² тепловое сопротивление стенки составляет приблизительно 0,5°C/Вт. Источник тепла мощностью 100 Вт внутри повысит температуру внутреннего воздуха на 50°C выше внешней температуры. Именно поэтому многие инженеры ошибочно занижают размер радиаторов, используя температуру внешней среды вместо внутренней. Для точного расчета размера радиатора необходимо моделировать корпус как предварительный нагреватель. Если внешняя температура составляет 35°C, а внутреннее повышение — 50°C, радиатор работает при температуре окружающей среды 85°C, а не 35°C. Это утраивает требуемый объем радиатора. Для вентилируемых корпусов с принудительным воздушным потоком 100-200 CFM внутреннее повышение снижается до 5-10°C, что позволяет использовать радиатор примерно на 40-60% меньшего размера.

Геометрия радиатора, шаг ребер и выбор материала

Физические размеры радиатора определяются требуемым Rth_sa и доступным воздушным потоком. Радиаторы с естественной конвекцией используют более широкий шаг ребер (8-12 мм), поскольку движение воздуха обеспечивается выталкивающей силой; плотный шаг ребер ограничивает естественный поток. Радиаторы с принудительной конвекцией при воздушном потоке 2-5 м/с могут использовать шаг ребер 4-6 мм, увеличивая площадь поверхности на единицу объема до 60%. В таблице ниже показаны типичные характеристики экструдированных алюминиевых радиаторов 6063-T5 различных размеров и условий воздушного потока:

Выбор материала имеет значение: алюминий 6063-T5 имеет теплопроводность 201 Вт/м·К, а 6061-T6 — 167 Вт/м·К. Для радиаторов длиной более 150 мм распространение тепла от основания к кончикам ребер становится значительным; 6063-T5 является отраслевым стандартом для экструдированных радиаторов благодаря своей превосходной теплопроводности и способности к экструзии. Медные радиаторы (385 Вт/м·К) используются только для приложений с высокой плотностью мощности выше 500 Вт или при крайне ограниченном пространстве, но они стоят в 3-4 раза дороже и в 3 раза тяжелее. Стандартный производственный допуск BQUQ на плоскостность экструдированных радиаторов составляет 0,05 мм на 100 мм длины, а шероховатость поверхности основания — Ra 1,6 мкм, что достаточно для теплопроводящих интерфейсных материалов с толщиной клеевого шва 0,05 мм.

Практический пример расчета с характеристиками BQUQ

Рассмотрим DC-DC преобразователь 48 Вт, выделяющий 150 Вт тепла в вентилируемом корпусе с внутренней температурой окружающей среды 55°C. MOSFET-транзисторы имеют Tj_max = 125°C и Rth_jc = 0,4°C/Вт. С теплопроводящей прокладкой, обеспечивающей Rth_cs = 0,15°C/Вт, оставшийся бюджет для радиатора составляет:

Rth_sa = (125 - 55) / 150 - 0,4 - 0,15 = 0,4667 - 0,55 = -0,083°C/Вт

Отрицательный результат означает, что ни один пассивный радиатор не подойдет. Необходимо либо снизить рассеиваемую мощность, либо уменьшить требование к Tj_max, либо добавить принудительный воздушный поток. Если увеличить воздушный поток до 4 м/с, радиатор 200x120x50 мм из таблицы выше обеспечивает 0,22°C/Вт, что дает температуру перехода:

Tj = 55 + 150 × (0,22 + 0,4 + 0,15) = 55 + 150 × 0,77 = 55 + 115,5 = 170,5°C

Это все еще превышает 125°C. Нужен радиатор большего размера или несколько радиаторов. Используя блок 300x200x80 мм при 0,07°C/Вт с принудительным воздухом:

Tj = 55 + 150 × (0,07 + 0,4 + 0,15) = 55 + 150 × 0,62 = 55 + 93 = 148°C

Все еще слишком высокая температура. Решение — установить два радиатора 250x150x60 мм параллельно на противоположных стенках корпуса, каждый рассеивает 75 Вт. Каждый имеет Rth_sa = 0,55°C/Вт (естественная конвекция) или 0,13°C/Вт (принудительный воздух). При естественной конвекции:

Tj = 55 + 75 × (0,55 + 0,4 + 0,15) = 55 + 75 × 1,10 = 55 + 82,5 = 137,5°C

Это близко к пределу. При принудительном воздухе 2,5 м/с:

Tj = 55 + 75 × (0,13 + 0,4 + 0,15) = 55 + 75 × 0,68 = 55 + 51 = 106°C

Это безопасный запас в 19°C ниже предела 125°C. Этот пример демонстрирует, что расчет размера радиатора является итеративным и часто требует нескольких радиаторов или активного охлаждения.

Монтаж, теплопроводящие интерфейсные материалы и механические допуски

Интерфейс между радиатором и компонентом часто является самым слабым звеном. BQUQ рекомендует использовать теплопроводящую смазку с теплопроводностью 1,5-3,0 Вт/м·К при толщине клеевого шва 25-50 мкм. Контактное давление должно составлять 10-30 фунтов на квадратный дюйм для оптимальной производительности. При использовании теплопроводящей прокладки выбирайте материал с теплопроводностью 3-6 Вт/м·К и согласуйте твердость прокладки (Shore A 20-40) с плоскостностью поверхности компонента. Основание радиатора должно быть плоским до 0,05 мм/100 мм, а плоскостность корпуса компонента обычно составляет 0,02-0,05 мм. Любой воздушный зазор значительно увеличивает Rth_cs; воздушный зазор 0,1 мм имеет тепловое сопротивление приблизительно 0,003°C·м²/Вт, что может добавить 0,3-0,5°C/Вт к интерфейсу 100x100 мм. Для крупносерийного производства BQUQ предлагает радиаторы с предварительно нанесенными материалами с фазовым переходом, которые плавятся при 45-55°C, заполняя все микрозазоры при первом включении. Эти материалы снижают Rth_cs на 30-40% по сравнению с сухим монтажом. Крутящий момент для монтажных винтов M3 должен составлять 0,6-0,8 Н·м, а для винтов M4 — 1,2-1,5 Н·м, чтобы избежать деформации основания.

Практические рекомендации и распространенные ошибки при расчете размера

Во-первых, всегда измеряйте фактическую рассеиваемую мощность с помощью анализатора мощности, а не полагайтесь на заявленные в техническом описании значения КПД; реальный КПД на 2-5% ниже значений из технического описания. Во-вторых, никогда не используйте температуру внешней среды для расчетов в герметичных корпусах; используйте внутреннюю температуру после 30 минут работы, которую можно измерить термопарой. В-третьих, ориентируйте ребра радиатора вертикально для естественной конвекции; горизонтальная ориентация ребер снижает производительность на 20-30%, поскольку воздух не может подниматься через каналы. В-четвертых, если в корпусе есть вентилятор, размещайте радиатор непосредственно на пути воздушного потока, а не за другими компонентами. В-пятых, учитывайте вес радиатора для сред с вибрацией; алюминиевый радиатор 300x200x80 мм весит 2,8 кг, и могут потребоваться дополнительные монтажные кронштейны для предотвращения усталостного разрушения паяных соединений. В-шестых, для радиаторов, монтируемых на печатную плату, используйте сквозной монтаж с платой толщиной 1,6 мм и убедитесь, что вес радиатора не превышает 50 г без дополнительной механической поддержки. Наконец, всегда создавайте прототип и проводите испытания с термопарами на корпусе, основании радиатора и кончике ребра; расчетные значения являются отправной точкой, а не окончательным ответом. Инженерная команда BQUQ использует вычислительную гидродинамику (CFD) для корпусов с тепловой нагрузкой выше 200 Вт, что обычно позволяет прогнозировать температуры с точностью до 5°C от фактических измерений.

Заключение и следующий шаг

Точный расчет размера радиатора зависит от вычисления требуемого теплового сопротивления от перехода до окружающей среды с учетом повышения внутренней температуры корпуса, а затем выбора ребристого профиля, соответствующего условиям воздушного потока. Наиболее распространенная ошибка — использование внешней температуры вместо внутренней, что приводит к занижению размера радиаторов и преждевременному отказу компонентов. Для рассеивания 100 Вт в вентилируемом корпусе ожидайте необходимости в экструдированном алюминиевом радиаторе 150x100x40 мм с принудительным воздушным потоком, стоимостью 5-9 долларов за единицу при производственных объемах. Для естественной конвекции удвойте объем до 200x120x50 мм, стоимостью 9-14 долларов за единицу. Всегда добавляйте запас прочности 20% и проверяйте с помощью тепловых испытаний.

BQUQ производит прецизионные радиаторы более 20 лет с допусками на механическую обработку ±0,02 мм и шероховатостью поверхности Ra 0,8 мкм на монтажной поверхности. Мы предоставляем бесплатное тепловое моделирование и рекомендации по проектированию на основе размеров вашего корпуса, рассеиваемой мощности и воздушного потока. Отправьте нам ваш бюджет мощности и чертежи корпуса для проверки осуществимости в тот же день. Наша команда по расчетам отвечает в течение 12 часов с указанием цен и сроков поставки.

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