No Image

Тепловое сопротивление кристалл корпус

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
11 марта 2020

Билл Лаумайстер (Maxim Integrated)

Калькулятор для расчета и анализа теплового рассеивания корпусов интегральных схем помогает оценить тепловыделение корпусов интегральных схем для обеспечения надежности и предотвращения перегрева. Программа создана для использования совместно с калькулятором HP 50g или его бесплатным эмулятором для ПК.

Стив Эдвардс (на момент публикации больше не являющийся сотрудником Maxim Integrated), опытный инженер по аналоговым схемам, написал несколько приложений для автоматизации инженерных расчетов. Эти приложения распространяются бесплатно с целью помочь другим разработчикам выбрать, определить и рассчитать аналоговые схемы. Мы опишем функционал одного такого инструмента – калькулятора для расчета и анализа теплового рассеивания корпусов интегральных схем (ИС).

Калькулятор для расчета и анализа теплового рассеивания корпусов интегральных схем (КТА)

КТА – это приложение, написанное для графического калькулятора HP 50g, которое помогает анализировать тепловыделение корпусов ИС. На примере данного приложения показан способ реализации расчетов теплового выделения микросхем. Используя этот способ, можно как произвести расчет отдельно взятой схемы, так и создать собственный инструмент для автоматизации подобных расчетов.

Согласно параметрам, указанным в техническом описании на конкретную микросхему, тепло, выделяемое кристаллом ИС, передается корпусу микросхемы, а затем окружающей среде. Предметом расчета являются максимальная теплоотдача и, как следствие, коэффициент снижения мощности (Power Derating Factor) при максимальной температуре кристалла интегральной схемы (рисунок 1).

Рис. 1. Модель рассевания тепла ИС

Руководство пользователя КТА содержит инструкции по применению калькулятора, теоретическую часть, уравнения и наиболее характерные практические примеры, используемые при разработке и анализе.

КТА позволяет вводить 10 параметров, 9 из которых рассчитываются как функции других параметров:

  1. рассеиваемая мощность, Р, мВт (вводится и рассчитывается);
  2. температура кристалла, Tj, °C (вводится и рассчитывается);
  3. тепловое сопротивление «кристалл-корпус», θJC, °C/W (вводится и рассчитывается);
  4. температура корпуса, ТС, °C (вводится и рассчитывается);
  5. тепловое сопротивление «корпус-окружающая среда», θCA, °C/W (вводится и рассчитывается);
  6. температура окружающей среды, TA, °C (вводится и рассчитывается);
  7. тепловое сопротивление «кристалл-окружающая среда», θJA, °C/Вт (вводится и рассчитывается);
  8. коэффициент снижения мощности, DF, мВт/°C (вводится и рассчитывается);
  9. максимальная температура кристалла, TJMAX, °C (вводится);
  10. максимальная рассеиваемая мощность, PMAX, мВт (вводится и рассчитывается).

КТА рассчитывает любые из 9 параметров как функцию других, благодаря чему он будет полезен как при разработке, так и при анализе. Вид этих параметров на экране ТАК представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Пример работы КТА

Руководство пользователя описывает тип шума (белый, розовый или тепловой шум в резисторах) и способ его вычисления.

В практической части приведен тепловой анализ корпуса MAX5112 – 9-канального ЦАП с токовым выходом. Исследуется рассеиваемая мощность, от величины которой зависит годность изделия к использованию в гипотетическом приложении на базе настраиваемого лазера. А также подробно описаны действия пользователя от ввода данных до решения и вывода значений рассеиваемой мощности для двух различных корпусов микросхемы.

Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитывать радиаторы так, чтобы не пролетать в прикидках на пару порядков очень полезно любому электронщику.

Тепловые расчеты очень просты и имеют очень много общего с расчетами электронных схем. Вот, посмотрите на обычную задачу теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для 5-вольтового линейного стабилизатора, который питается от 12вольт максимум и выдает 0.5А. Максимальная выделяемая мощность получается (12-5)*0.5 = 3.5Вт

Погружение в теорию

Для того, чтобы не плодить сущностей, люди почесали тыковку и поняли, что тепло очень похоже на электрической ток, и для тепловых расчетов можно использовать обычный закон Ома, только

В итоге, закон Ома заменяется на свой тепловой аналог:

Небольшой замечание – для того, чтобы обозначить, что имеется ввиду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R, дописывают букву тэта:на клавиатуре у меня такой буквы нет, а копировать из таблицы символов лень, поэтому я буду пользоваться просто буквой R.

Продолжаем

Тепло выделяется в кристалле стабилизатора, а наша цель – не допустить его перегрева (не допустить перегрева именно кристалла, а не корпуса, это важно!).

Читайте также:  Декор спальни своими руками фото идеи

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно, предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = переход – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура переходов равна температуре кристалла)

Без радиатора

Попробуем рассчитать, до какой температуры нагреется кристалл, если не ставить радиатор.

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора, в даташитах пишут тепловое сопротивление кристалл-атмосфера (Rj-a) (что такое j вы уже в курсе, a = ambient = окружающая среда)

Заметьте, что температура “земли” не нулевая, а равняется температуре окружающего воздуха (Ta). Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор Если стоит на открытом воздухе, то можно положить Ta = 40 °C, а вот, если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Записываем тепловой закон Ома: Tj = P*Rj-a + Ta. Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 267.5 °C. Многовато, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе становится вот такой:

    Rj-c – сопротивление от кристалла до теплоотвода корпуса (c = case = корпус ). Дается в даташите. В нашем случае – 5 °C/Вт – из даташита

Rc-r – сопротивление корпус-радиатор. Тут не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. К примеру, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт/(м*°C), а паста КПТ-8 – 0.75Вт/(м*°C). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

R = толщина прокладки/(коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

Часто Rc-r вообще можно игнорировать. К примеру, в нашем случае (используем корпус TO220, с пастой КПТ-8, средняя глубина пасты, взятая с потолка – 0.05мм). Итого, Rc-r = 0.5 °C/Вт. При мощности 3.5вт, разница температур корпуса стабилизатора и радиатора — 1.75градуса. Это – не много. Для нашего примера, возьмем Rc-r = 2 °C/Вт

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3.5*(5+2+12.5) + 40 = 108.25 °C

Это значительно меньше, чем предельные 150 °C. Такой радиатор можно использовать. При этом, корпус радиатора будет греться до Tc = 3.5*12.5 + 40 = 83.75 °C. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее-всего, у вас уже валяется куча радиаторов, которые можно задействовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это этого нужно сопротивление и источник питания.

Лепим сопротивление на радиатор, используя термопасту:

Подключаем источник питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некая мощность. Лучше, конечно, нагревать радиатор той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Я обычно оставляю такую конструкцию на пол часа, чтобы она хорошо прогрелась.

После того, как измерили температуру, можно рассчитать тепловое сопротивление

Rr-a = (T-Ta)/P. К примеру, у меня радиатор нагрелся до 81 градуса, а температура воздуха – 31 градус. таким образом, Rr-a = 50/4 = 12.5 °C/Вт.

Прикидка площади радиатора

В древнем справочнике радиолюбителя приводился график, по которому можно прикинуть площадь радиатора. Вот он:

Работать с ним очень просто. Выбираем перегрев, который хочется получить и смотрим, какая площадь соответствует необходимой мощности при таком перегреве.

К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 250см^2 радиатора. Этот график дает завышенную оценку площади, и не учитывает кучу факторов как то принудительный обдув, геометрия ребер, итп.

> если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Температура в коробке считается совершенно так же, просто в цепочку добавляются дополнительные сопротивления — стенок, прослойки воздуха в корпусе, перехода стенка-атмосфера…

Елси коробка находится на прямом солнечном свету, то ГОСТ 15150 (который про климатические исполнения) рекомендует к температуре окружающей среды тупо прибавить 15 градусов , если оболочка имеет белый или серебристо-белый цвет, и 30 градусов при любом другом.

Читайте также:  Прибор для проверки электродвигателя на межвитковое замыкание

Впрочем, нагрев солнцем тоже можно учесть, зная поглощающую способность поверхности и энергию солнечного излучения.

BSVi Reply:
августа 23, 2010 at 15:08

>Температура в коробке считается совершенно так же
Это да, но нужно учесть тепловыделение ВСЕХ компонентов схемы.

>тупо прибавить 15 градусов
Спасибо, не знал!

> I=U*R
ошибочка U=I*R , а I=U/R

BSVi Reply:
августа 26, 2010 at 9:13

>>>К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 150см^2 радиатора

промазали с пересечением, понадобится 250см^2 радиатора

1ns1d3r Reply:
февраля 20, 2011 at 14:00

и спасибо за статью)

BSVi Reply:
февраля 20, 2011 at 14:38

Сергей, спасибо за статью! очень пригодилась!

> Tj = P*Rj-a + Ta.
> Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 227.5 °C.

BSVi Reply:
сентября 14, 2011 at 8:52

Где-то читал, что срок службы кремниевых полупроводниковых приборов при температуре кристалла 60 градусов составляет 50-75 лет, при температуре 125 градусов — 1000 часов. Интересно, при какой температуре полупроводник прослужит 100 000 часов. Нигде не могу найти зависимость срока службы от температуры. Кто-нибудь может добавить полезной информации?

BSVi Reply:
ноября 27, 2011 at 18:17

Обычно все подобного рода процессы экспоненциальны. Так как ты знаешь два числа, легко можешь посчитать коэффициенты при экспоненте.

Спасибо, за идею измерения теплового сопротивления радиаторов. Почему-то сам не догадался и не попадалась раньше.
Но думаю реализация требует некоторого уточнения.
Резистор при нагреве «отдаёт тепло» по всем 4-м граням равномерно в отличии от полупроводниковых элементов (конструкция которых обычно оптимизируется для передачи бОльшей части тепла именно радиатору), а это значит, что из рассеиваемой на резисторе мощности радиатором будет получена далеко не вся мощность, что приведёт к значительному занижению полученного значения теплового сопротивления (завышение теплорассеивающей способности радиатора, что нехорошо).
Как вариант либо теплоизолировать свободные грани резистора например силиконовым герметиком толщиной в несколько миллиметров, либо применить в качестве нагревателей биполярные или полевые транзисторы в связке с ОУ (генератор стабильного тока), тем более, что при этом не будет возникать сложность с креплением нагревателя на радиаторе.
С уважением, Вячеслав.

Создать новую ветку комментариев

Вы должны войти или зарегистрироваться чтобы оставить комментарий.

— На кой хрен козе баян? Она и так весёлая . — живо интересовались удмуртские радиолюбители, разглядывая диковинный теплоотвод, установленный на лампу выходного каскада.
— Только для игры на баяне, козе баян и нужен, на какой же ещё? — гордо отвечал владелец теплоотвода, весьма довольный произведённым на коллег впечатлением.

На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились — подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника. А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла.
Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы (радиаторы).
Полный расчёт радиатора — вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом — для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Но лучше воспользоваться специальной программой.

Существует формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:
Q=(T2-T1)/P-Q1-Q2, где
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора по справочнику,
Т1 — максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством,
P — рассеиваемая на транзисторе мощность,
Q1 — тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику,
Q2 — тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений.

А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы — не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.
Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно — в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy. Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Л., за что ему большое человеческое спасибо.

Читайте также:  Нарезка резьбы в нержавеющей стали

Теперь давайте определимся с терминологией.
S — площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора. Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство.
Q — тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.
Q1 — тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается RthJC. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).
Q2 — значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора, обозначается Tjmax и составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С.
Т1 — максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

ИТАК, РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ РАЧЁТА ПЛОЩАДИ РАДИАТОРА

— Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 20-30% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник. Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора 60-70 градусов.
— Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 RthJC не гадая берём из справочника. Если совсем лень — ставим 1.
— Графу теплового сопротивления корпус-радиатор Q2 можно оставить без внимания, если транзистор сидит на радиаторе без всяких прокладок, либо используются современные тонкие подложки, сдобренные специальными пастами. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.
— Так же оставляем в покое графу "скорость воздушного потока от вентилятора", если оный не предусмотрен нашей конструкцией. А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод.
Как? А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С. Л., посвящённый расчёту радиаторов, там кобыла и отыщется. Как правило, значение этой величины находится в пределах 1-5 м/сек.

Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим — это нормально. Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус. Тут природу не обманешь — надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.

Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления. Параметр этот имеет размерность дюйм*град/Вт, поэтому для пересчёта его в тепловое сопротивление всего радиатора, нам надо разделить это значение на длину в см. и умножить на 2,54.
Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский "no trademark" — воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.

С этим всё, дальше кусок из умного справочника.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector