1.5热阻与散热

好，这节课我们来讲热阻与散热

本节内容包含三部分

有一个很普遍的现象

当同学们发现一个元件烫手的时候

就开始觉得手无足措

好像有东西要烧掉了

都给它加上一个迷你散热片之后

又会想当然觉得高枕无忧了

事实上

元件烫手未必不正常

55摄氏度以上

人就觉得烫了

而很多时候

高速元件的功耗非常大

工作在七八十度非常正常

如果非得让它不烫手的话

就属于无理取闹了

另一方面加上散热片

也未必万事大吉

很多时候同学们加的散热片

它的散热能力微弱到聊胜于无

本节就是关于定量计算散热能力的

虽然偷工减料不值得提倡

但是用料过度的设计

也是设计无能的表现

管芯温度与环境温度

它位于教材的2.9.1节

散热的概念基于一个基本前提

那就是发热器件所处的环境温度

要比发热器件本身温度要低

这样的才能进行散热

想象一下

如果环境温度就两百摄氏度了

芯片该如何散热？

在这种情况下

只能制造

耐温达到两百摄氏度的芯片才行

有些应用于地下的钻井平台的

传感器芯片就属于这种

无法散热的情况

如果环境温度保持不变

比如25摄氏度

且散热通道极其通畅

那么芯片的温度

应该和环境温度一致

但是很显然散热通道

达不到极其通畅

所以实际发热芯片的温度

要超过25摄氏度

究竟两者温差是多少？

这就要引入热阻的概念

这个公式，就是实际芯片的温度

我们来看 P 为芯片的发热功率

Ta 是环境温度

Tj 是芯片的管芯温度

而 RT 就是热阻

它是描述阻碍散热的物理量

热阻越大，散热越困难的意思

热阻的单位是摄氏度每瓦

如果某芯片的热阻是1摄氏度每瓦

那么意味着一瓦的功耗

将会使芯片温升1摄氏度

好，芯片的管芯温度 Tj

是一定大于环境温度的

至于高多少

这取决于芯片的功耗和热阻

以二氧化硅为材料的半导体器件

她所承受最高管芯温度

大概是150摄氏度

也就是说 Tj 最多150摄氏度

加上基本的环境温度和安全裕量

比如说基本环境温度是25摄氏度

而裕量我们也给25摄氏度

这也就是说

一般允许的功耗

发热升温不能超过100度

这个是100，你超过100了

就超过管芯温度了

热阻的计算

它位于教材的2.9.2节

热阻的概念与电阻有类似的地方

由于只有环境温度

被认为是热容量极大

且温度保持不变

所以散热的回路

必须管芯一直串联到空气

没有散热器时

芯片的热阻表达式

两部分组成

好，我们来看。

Rjc

实际上是管芯 Junction 到管壳 Case 之间的热阻

所以叫 Rjc

而 Rca 呢

是管壳 Case 到空气 Ambient 之间的热阻

叫做 Rca

两者串联

就构成了一个完整的散热回路

散热器的引入

相当于增加了一个散热通道

这是一个示意图

在示意图当中

这个散热通道多了两个热阻

一个是 Rcs

指的是管壳到散热器之间的热阻

另外一个是散热器到环境的热阻

叫做 Rsa

有散热器时芯片的热阻

变成了两个通道的并联

那么由于 Rca 远大于

散热器的热阻和

所以在有散热器的时候

管壳的这个散热通道就忽略掉了

所以总热阻就近似表示为

有散热器的这一通道

而如果我们在散热器和管壳之间

涂抹了导热硅脂

那这一部分的热阻也可以忽略不计

所以加装了散热器之后

整个热阻就由两部分构成

常见封装及散热器的热阻

它位于教材的2.9.3节

常见的封装的有这么三种

TO-92，TO-220和TO-03

管芯到管壳的热阻 Rjc

是无法通过并联散热器减小的

所以一旦 Rjc 非常大

就意味着这种封装

无法加装散热器

所有我们也可以看出来

TO-220 和 TO-03

是可以加装散热器的

你看它还特意留了

加装散热器的定位孔

而它的 Rjc 是非常小的

而对于 TO-92，Rjc 非常大

所以根本没有办法加装散热器

好，举个例子

TO-92 封装的 Rjc 高达83.3摄氏度

这就意味着

即使维持管壳温度恒定不变

1瓦的功耗也能使温度升高83.3摄氏度

所以它加不了散热器

而 TO-220 和 TO-03 封装的元件

适合加散热器

如果不加装散热器

它们本身金属外壳的散热能力

其实是很差的

大家可以看到

那我们经常在实验室

同学有这样一个习惯

买了这种 TO-20 或者 TO-03 的

就觉得散热能力很强了

不用加散热片了

实际上是不行的

我们来计算一下

即使 TO-03 封装的元件

也只能耗散不过4瓦的功率

大家想33.6乘以4就已经过一百了

所以就算用上这两种封装

并不是意味着它散热就很好了

你其实是要用到散热片的

好我们看散热器的热阻

那么图示当中的散热器呢

是可以加装风扇进行强迫风冷

或者不加风扇自然冷却都行

此外呢，好的散热器呢

大家应该尽量选表面阳极钝化的

不能要那种光滑的

要粗糙的

还要选尽量是黑色的

不能挑那种白色的

如图所示为散热器的热阻

纵坐标是热阻

而横坐标是强迫风冷的风速

这么一块散热片

在不加风扇的情况下

它的散热的

它的热阻是10.3摄氏度每瓦

在足够风冷的情况下

热阻可以降到1.5摄氏度每瓦

如果你需要更好的散热效果的话

可以加水冷

好，如何测量热阻呢？

市面上售卖的散热器

一般很少标明热阻大小

我们可以自己来测一下

可以采用已知功耗的电路

再测温的方法

自行测定热阻大小

自己搭建一个电路

然后用升温枪自己测试一下

前后之间的温差就可以了

本课小结

管芯的温度

实际上呢

是由这么三部分组成

包含环境温度，芯片的功耗和热阻

热阻的计算

当我们的芯片绑了散热片之后

而且的散热片与管壳之间

涂抹了导热硅脂

它的热阻仅由两部分组成

一个是管壳到管芯之间的热阻

一个是散热器到空气的热阻

常见封装热阻

TO-92 TO-220 TO-03

这三种常见散热器的封装

后面两种是可以加装散热器的

一定提醒大家注意

这两种封装不加散热器的话

它的热阻其实很大

一定功率下发热芯片就受不了了

所以一定要注意加装散热器

而散热器的热阻是可以查得到的

这是一个可以加风扇的散热器

你不加风扇和加了风扇

风冷的情况，风速大小

都会对这个散热器的热阻

有一个明显的变化

好，这节课就到这里

好，这节课我们来讲热阻与散热

本节内容包含三部分

有一个很普遍的现象

当同学们发现一个元件烫手的时候

就开始觉得手无足措

好像有东西要烧掉了

都给它加上一个迷你散热片之后

又会想当然觉得高枕无忧了

事实上

元件烫手未必不正常

55摄氏度以上

人就觉得烫了

而很多时候

高速元件的功耗非常大

工作在七八十度非常正常

如果非得让它不烫手的话

就属于无理取闹了

另一方面加上散热片

也未必万事大吉

很多时候同学们加的散热片

它的散热能力微弱到聊胜于无

本节就是关于定量计算散热能力的

虽然偷工减料不值得提倡

但是用料过度的设计

也是设计无能的表现

管芯温度与环境温度

它位于教材的2.9.1节

散热的概念基于一个基本前提

那就是发热器件所处的环境温度

要比发热器件本身温度要低

这样的才能进行散热

想象一下

如果环境温度就两百摄氏度了

芯片该如何散热？

在这种情况下

只能制造

耐温达到两百摄氏度的芯片才行

有些应用于地下的钻井平台的

传感器芯片就属于这种

无法散热的情况

如果环境温度保持不变

比如25摄氏度

且散热通道极其通畅

那么芯片的温度

应该和环境温度一致

但是很显然散热通道

达不到极其通畅

所以实际发热芯片的温度

要超过25摄氏度

究竟两者温差是多少？

这就要引入热阻的概念

这个公式，就是实际芯片的温度

我们来看 P 为芯片的发热功率

Ta 是环境温度

Tj 是芯片的管芯温度

而 RT 就是热阻

它是描述阻碍散热的物理量

热阻越大，散热越困难的意思

热阻的单位是摄氏度每瓦

如果某芯片的热阻是1摄氏度每瓦

那么意味着一瓦的功耗

将会使芯片温升1摄氏度

好，芯片的管芯温度 Tj

是一定大于环境温度的

至于高多少

这取决于芯片的功耗和热阻

以二氧化硅为材料的半导体器件

她所承受最高管芯温度

大概是150摄氏度

也就是说 Tj 最多150摄氏度

加上基本的环境温度和安全裕量

比如说基本环境温度是25摄氏度

而裕量我们也给25摄氏度

这也就是说

一般允许的功耗

发热升温不能超过100度

这个是100，你超过100了

就超过管芯温度了

热阻的计算

它位于教材的2.9.2节

热阻的概念与电阻有类似的地方

由于只有环境温度

被认为是热容量极大

且温度保持不变

所以散热的回路

必须管芯一直串联到空气

没有散热器时

芯片的热阻表达式

两部分组成

好，我们来看。

Rjc

实际上是管芯 Junction 到管壳 Case 之间的热阻

所以叫 Rjc

而 Rca 呢

是管壳 Case 到空气 Ambient 之间的热阻

叫做 Rca

两者串联

就构成了一个完整的散热回路

散热器的引入

相当于增加了一个散热通道

这是一个示意图

在示意图当中

这个散热通道多了两个热阻

一个是 Rcs

指的是管壳到散热器之间的热阻

另外一个是散热器到环境的热阻

叫做 Rsa

有散热器时芯片的热阻

变成了两个通道的并联

那么由于 Rca 远大于

散热器的热阻和

所以在有散热器的时候

管壳的这个散热通道就忽略掉了

所以总热阻就近似表示为

有散热器的这一通道

而如果我们在散热器和管壳之间

涂抹了导热硅脂

那这一部分的热阻也可以忽略不计

所以加装了散热器之后

整个热阻就由两部分构成

常见封装及散热器的热阻

它位于教材的2.9.3节

常见的封装的有这么三种

TO-92，TO-220和TO-03

管芯到管壳的热阻 Rjc

是无法通过并联散热器减小的

所以一旦 Rjc 非常大

就意味着这种封装

无法加装散热器

所有我们也可以看出来

TO-220 和 TO-03

是可以加装散热器的

你看它还特意留了

加装散热器的定位孔

而它的 Rjc 是非常小的

而对于 TO-92，Rjc 非常大

所以根本没有办法加装散热器

好，举个例子

TO-92 封装的 Rjc 高达83.3摄氏度

这就意味着

即使维持管壳温度恒定不变

1瓦的功耗也能使温度升高83.3摄氏度

所以它加不了散热器

而 TO-220 和 TO-03 封装的元件

适合加散热器

如果不加装散热器

它们本身金属外壳的散热能力

其实是很差的

大家可以看到

那我们经常在实验室

同学有这样一个习惯

买了这种 TO-20 或者 TO-03 的

就觉得散热能力很强了

不用加散热片了

实际上是不行的

我们来计算一下

即使 TO-03 封装的元件

也只能耗散不过4瓦的功率

大家想33.6乘以4就已经过一百了

所以就算用上这两种封装

并不是意味着它散热就很好了

你其实是要用到散热片的

好我们看散热器的热阻

那么图示当中的散热器呢

是可以加装风扇进行强迫风冷

或者不加风扇自然冷却都行

此外呢，好的散热器呢

大家应该尽量选表面阳极钝化的

不能要那种光滑的

要粗糙的

还要选尽量是黑色的

不能挑那种白色的

如图所示为散热器的热阻

纵坐标是热阻

而横坐标是强迫风冷的风速

这么一块散热片

在不加风扇的情况下

它的散热的

它的热阻是10.3摄氏度每瓦

在足够风冷的情况下

热阻可以降到1.5摄氏度每瓦

如果你需要更好的散热效果的话

可以加水冷

好，如何测量热阻呢？

市面上售卖的散热器

一般很少标明热阻大小

我们可以自己来测一下

可以采用已知功耗的电路

再测温的方法

自行测定热阻大小

自己搭建一个电路

然后用升温枪自己测试一下

前后之间的温差就可以了

本课小结

管芯的温度

实际上呢

是由这么三部分组成

包含环境温度，芯片的功耗和热阻

热阻的计算

当我们的芯片绑了散热片之后

而且的散热片与管壳之间

涂抹了导热硅脂

它的热阻仅由两部分组成

一个是管壳到管芯之间的热阻

一个是散热器到空气的热阻

常见封装热阻

TO-92 TO-220 TO-03

这三种常见散热器的封装

后面两种是可以加装散热器的

一定提醒大家注意

这两种封装不加散热器的话

它的热阻其实很大

一定功率下发热芯片就受不了了

所以一定要注意加装散热器

而散热器的热阻是可以查得到的

这是一个可以加风扇的散热器

你不加风扇和加了风扇

风冷的情况，风速大小

都会对这个散热器的热阻

有一个明显的变化

好，这节课就到这里