散熱器非常重要！作為電路設計的一個重要方面，散熱器提供了一種有效的途徑，將熱量從電子器件（如 BJT、MOSFET 和線性穩(wěn)壓器）傳遞出去并散發(fā)到周圍空氣中。

散熱器的作用是在發(fā)熱器件上形成更大的表面積，從而更有效地將熱量傳遞出來并散發(fā)到周圍環(huán)境中。設備散熱路徑經(jīng)過改善后可以降低元件接合處的任何溫升。

本文旨在利用器件應用中的熱數(shù)據(jù)并結合散熱器供應商提供的規(guī)格，對散熱器的選擇問題進行深入探討。

需要散熱器嗎？

對于本文而言，我們假設所討論的應用中有一個采用 TO-220 封裝的晶體管，其中導通和開關損耗等于 2.78 W 功耗。此外，環(huán)境工作溫度不會超過 50°C。這個晶體管需要散熱器嗎？

圖 1：配備散熱器的典型 TO-220 封裝的正視圖和側視圖（圖片來源：CUI Inc）

首先，必須找出并理解可能阻止 2.78 W 熱量耗散到周圍空氣中的所有熱阻的特征。如果不能有效地分散這些特征，TO-220 封裝內的結溫將超過理想的最高工作溫度，具體對此應用而言，我們確定為 125°C。

一般而言，晶體管供應商會記錄所有結環(huán)熱阻，并用符號 Rθ J-A表示，計量單位為 °C/W。該單位表示，器件內每消耗一個功率單位（瓦），預計結溫將會升高到 TO-220 封裝周圍環(huán)境溫度以上的溫度值。

舉例說明，當晶體管供應商記錄的結環(huán)熱阻為 62°C/W 時，TO-220 封裝內的 2.78 W 功耗將使結溫升高到高于環(huán)境溫度 172°C 以上，計算方法：2.78 W x 62°C/W。如果假設該器件的最壞環(huán)境溫度為 50°C，則結溫將達到 222°C，計算方法：50°C + 172°C。既然這已經(jīng)遠超規(guī)定的 125°C 最高硅溫度，就必須采用散熱器。

如果針對此應用安裝散熱器，則會顯著降低結環(huán)熱阻。下一步，確定需要多低的熱阻通路才能確保操作安全可靠。

確定熱阻路徑

為確定熱阻路徑，首先需要確定最大容許溫升。如果器件的最高環(huán)境工作溫度為 50°C，并且我們已經(jīng)確定硅結需要保持在 125°C 或更低，則最高允許溫升為 75°C，計算方法：125°C - 50°C。

下一步，計算硅結本身與周圍空氣之間的最大容許熱阻。如果最高允許溫升為 75°C，并且 TO-220 封裝內的功耗測量值為 2.78 W，則最大允許熱阻為 27°C/W，計算方法：75°C ÷ 2.78 W。

最后，計算出從硅結到周圍空氣的所有熱阻通路，并確認它們的總和小于上文計算出的最大允許熱阻 27°C/W。

圖 2：典型 TO-220 應用中應在結點與周圍空氣之間計算和添加的熱阻圖示。（圖片來源：CUI, Inc.）

從圖 2 可以看出，需要考慮的第一個熱阻是“結殼”熱阻，用符號 Rθ J-C表示。該圖顯示了熱量從產(chǎn)生熱量的結點轉移到器件表面的容易程度（本示例以 TO-220 作為示范）。一般情況下，供應商的規(guī)格書會列出該熱阻以及結環(huán)熱阻值。此處假設的結殼熱阻額定值為 0.5°C/W。

需要考慮的第二個熱阻是“外殼至散熱器”熱阻，用符號 Rθ C-S表示，該熱阻值用于衡量熱量從器件外殼傳遞到散熱器表面的容易程度。由于兩個表面有時會出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，因此通常建議在 TO-220 外殼表面及散熱器底座表面之間涂抹導熱界面材料（TIM 或“導熱膏”），從而在熱學的角度確保兩個表面完全接合。涂抹 TIM 會顯著改善 TO-220 表面到散熱器之間的熱傳遞，但必須考慮其相關的熱阻。

圖 3：說明需要導熱界面材料 (TIM) 的表面對表面放大示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

導熱界面材料說明

一般而言，TIM 的特征取決于它們的導熱率，計量單位為“瓦/米-攝氏度 (W/(m °C))”或“瓦/米-開爾文 (W/(m K))”。在本示例中，攝氏度和開爾文單位可以互換，因為在計算溫升和溫降時，它們使用的是相同的溫度計量增量；例如，45°C 溫升與 45 K 溫升相同。

由于 TIM 的熱阻依賴于其厚度（TIM 的厚度單位為米）與所覆蓋的整個區(qū)域面積（TIM 覆蓋的面積單位為 m2）之比，因此包括了單位米，并得出 1/m 的結果（計算方法：m/m2= 1/m）。在此示例中，TO-220 外殼表面的金屬片區(qū)域涂抹了一層薄薄的 TIM，其特定屬性和涂抹細節(jié)如下：

使用上面列出的屬性，可以根據(jù)以下公式計算出 TIM 的熱阻（為保持一致性，用米作為單位）：

選擇散熱器

需要考慮的最后一個熱阻是“散熱器到環(huán)境”熱阻，由符號 Rθ S-A表示。該熱阻值的計算可以揭示熱量從散熱器底座轉移到周圍周圍空氣中的容易程度。電子元器件制造商 CUI 是一家散熱器供應商，提供了像圖 4 所示的圖形，展示了通過不同的氣流負荷和條件，熱量可以輕易地從散熱器轉移到周圍空氣中。

圖 4：展示典型散熱器安裝表面高于環(huán)境溫度溫升的圖形（圖片來源：CUI Inc.）

在此示例中，假設器件在自然對流且沒有任何氣流的條件下工作。該圖可用于計算此特定散熱器的最終熱阻，即散熱器到環(huán)境熱阻。用表面高于環(huán)境溫度的溫升量除以散熱量，可以得出該特定工作條件下的熱阻。此處耗散的熱量為 2.78 W，導致表面高于環(huán)境溫度的溫升為 53°C。用 53°C 除以 2.78 W 可以得出散熱器到環(huán)境的熱阻值為 19.1°C/W。

在之前的計算中，結點與周圍空氣之間的最大允許熱阻為 27°C/W。減去結殼熱阻 (0.5°C/W) 以及外殼至散熱器的熱阻 (0.45°C/W)，即可得出散熱器的最大允許熱阻，計算結果為 26.05°C/W，計算方法為：27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W。

就本示例而言，在這些假設條件下，該散熱器 19.1°C/W 的熱阻遠低于先前計算的允許值 26.05°C/W。如此意味著 TO-220 封裝內部的硅結溫溫度更低，設計熱裕量更寬。此外，通過將所有熱阻相加，然后乘以結點處耗散的瓦特數(shù)，最后將結果加到最高環(huán)境溫度，可以得出結點最高溫度的近似值，如下所示：

此處展示的示例揭示了散熱器在應用熱管理中的重要性。如果不安裝散熱器，TO-220 封裝內的硅結將遠遠超出 125°C 的設計額定限值。只需修改并重復此處使用的流程，即可幫助設計人員為各種不同的應用選擇尺寸合適的散熱器。

總結

散熱器在電路設計中扮演著重要的角色，因為它們提供了一個有效的通路，將熱量傳遞到周圍空氣中，并使之遠離電子器件。通過確定周圍環(huán)境的最高溫度以及器件內的功耗，可以優(yōu)化散熱器的選擇；散熱器既不能太小，導致器件燒毀，也不能太大，導致成本浪費。此外，還應考慮TIM在兩個表面之間高效一致地傳遞熱量所起的重要作用。

最后，確定了應用的參數(shù)（環(huán)境溫度、功耗和熱阻路徑）之后，查看CUI 的板級散熱器產(chǎn)品組合，即可確定適合項目冷卻需求的正確型號