【暖通学院】散热器设计的基本计算

一、概念

1、热路：由热源出发，向外传播热量的路径。在每个路径上，必定经过一些不同的介质，热路中任何两点之间的温度差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻，就像电路中的欧姆定律，与电路等效关系如下。

2、热阻：在热路中，各种介质及接触状态，对热量的传递表现出的不同阻碍作用——在热路中产生温度差,形成对热路中两点间指标性的评价。

符号——Rth          单位——℃/W。

稳态热传递的热阻计算:  Rth= (T1－T2)/PT1——热源温度（无其他热源）（℃)

T2——导热系统端点温度  （℃)热路中材料热阻的计算:  Rth=L/(K·S)L——材料厚度 （m)

S——传热接触面积 （m2)

3、导热率：是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。

符号——K or λ         单位—— W／m-K，

二、热设计的目标

1、  确保任何元器件不超过其最大工作结温（Tjmax）推荐：器件选型时应达到如下标准民用等级：Tjmax≤150℃        

工业等级：Tjmax≤135℃军品等级：Tjmax≤125℃       

航天等级：Tjmax≤105℃以电路设计提供的，来自于器件手册的参数为设计目标

2、  温升限值

器件、内部环境、外壳：△T≤60℃

器件每升高2℃，可靠性下降10％；器件温升为50℃时，寿命只有温升25℃的1/6，电解电容温升超过10℃，寿命下降1/2。

三、计算

1、  TO220封装＋散热器

结温计算热路分析热传递通道：管芯j→功率外壳c→散热器s→环境空气a

注：因Rthca较大，忽略不影响计算，故可省略。

Rthja≈Rthjc＋Rthcs＋Rthsa≈(T结温－T环温)/P条件Rthjc——器件手册查询

Rthcs——材料热阻：Rth绝缘垫=L绝缘垫厚度／（K绝缘垫·S绝缘垫接触c的面积）

Rthsa——散热器热阻曲线图查询

T结温——器件手册查询（待计算数值）

T环温——任务指标中的工作环境要求

P ——电路设计计算计算T结温＝（Rthjc＋Rthcs＋Rthsa）·P＋T环温＜手册推荐结温注：注意单位统一；判定结温温升限值是否符合。散热器热阻计算（参见上图）散热器的热阻一般可在由厂家提供的热阻曲线上标出，也可通过测试得出。测试在被测散热器上安装一发热器（or组）件,固定一个风速（M/S），测量进、出风温度，通过计算，得出该条件下的Rthsa。设定一组风速，得出的不同Rthsa值，绘制出该散热器的热阻曲线，不同长度的散热器，可得到不同的曲线。条件T进风——进口温度

T出风——相同风速下的出口温度

P——电路设计计算的，发热器（or组）件的功耗计算Rthsa＝（T出风－T进风）／P 注：亦可根据已有条件，如管芯的△T和功耗，计算出所需散热器的热阻上限，在热阻曲线图上选用足够尺寸的散热器。

2、共用同一散热器（见下图）

分析:

对于散热器而言，总的传热功耗为：

P总＝Pj1＋Pj2

那么散热器的温升为：

      △T散热器＝Rthsa·（Pj1＋Pj2）

每只管子的传热路径中，热阻引起的温升为

△Tj1＝（Rthjc1＋Rthcs1）·Pj1      △Tj2＝（Rthjc2＋Rthcs2）·Pj2

热路中，所有温升之和加上环境温度就是最大结温，即

Tjmax1＝△Tj1＋△T散热器＋T环境    

Tjmax2＝△Tj2＋△T散热器＋T环境条件Pj1——电路设计计算

Pj2——电路设计计算

Rthjc1——器件手册查询

Rthjc2——器件手册查询

Rthcs1——材料热阻：Rth绝缘垫=L绝缘垫厚度／（K绝缘垫·S绝缘垫接触c的面积）

Rthcs2——材料热阻：Rth绝缘垫=L绝缘垫厚度／（K绝缘垫·S绝缘垫接触c的面积）

Rthsa——散热器热阻曲线图查询

T环境——任务指标中的工作环境要求计算J1的最大结温：Tjmax1＝（Rthjc1＋Rthcs1）·Pj1＋Rthsa·（Pj1＋Pj2）＋T环境

J2的最大结温：Tjmax2＝（Rthjc2＋Rthcs2）·Pj2＋Rthsa·（Pj1＋Pj2）＋T环境注： 判定计算出的最大结温，是否小于手册推荐结温；判定结温温升限值是否符合；注意计算时单位要统一。

经验

1、热路的分析和计算，由于影响因素较为复杂，可以忽略一些影响小的参数，来简化计算，但一定要注意影响趋势的方向，是有利于传热的，可以作为设计余量储备，由于影响小，所以不会影响经济性。

2、还是因为影响因素复杂，理论计算是设计指导，结果一定以试验结论判定，埋点测温是最有效的验证方式。

3、电源的热设计是和电路设计密不可分的，实际情况往往因为空间问题，把散热设计到最大化，也就刚刚满足需求，而热路的设计只能截止到外壳，外壳（或散热器）的温度怎么办？这就需要电路设计来降低功耗，甚至和客户讨论如何给电源散热，这就需要我们是否能提的出所有计算数据。

4、关于余量问题，建议只要满足结温和温升限制，即可保证产品工作的可靠性。

5、热设计的装配工艺应符合相应的工艺规范，首先确保装配的难度不大，其次考虑装配的步骤减少，即适应批量的流水装配作业。

来源：郭鹏学暖通