MOSFET
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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
- 未学习 1.1.1电压源
- 未学习 1.1.2电流源
- 未学习 1.2.1电阻与电容
- 未学习 1.2.2电感
- 未学习 1.3阻抗与滤波器
- 未学习 1.4实际电容与电源滤波
- 未学习 1.5热阻与散热
- 未学习 2.1电路搭建与瞬时现象仿真
- 未学习 2.2其他有用的工具
- 未学习 3.1.1二极管的性质
- 未学习 3.1.2二极管的动态特性
- 未学习 3.1.3二极管的分类
- 未学习 3.2.1NPN型三极管与恒流源放电电路
- 未学习 3.2.2PNP型三极管与恒流源充电电路
- 未学习 3.3.1共射放大电路一般性质
- 未学习 3.3.2放大电路的直流偏移
- 未学习 3.3.3共射放大电路的失真
- 未学习 3.3.4共射放大电路的阻抗与密勒效应
- 未学习 3.3.5共射放大电路的设计
- 未学习 3.3.6.1共射放大电路增大放大倍数
- 未学习 3.3.6.2选频放大电路
- 未学习 3.3.6.3高频滤波与高频增强
- 未学习 3.4差分放大电路
- 未学习 3.5.1共集放大电路基本特性
- 未学习 3.5.2甲类功率放大电路
- 未学习 3.5.3乙类功率放大电路
- 未学习 3.5.4甲乙类功率放大电路
- 未学习 3.5.5共射共集组合放大电路
- 未学习 3.6.1共基放大电路基本特性
- 未学习 3.6.2共基共射放大电路
- 未学习 3.7场效应管概述
- 未学习 4.1.1反相比例运算电路
- 未学习 4.1.2同相比例运算电路
- 未学习 4.1.3加法和减法运算电路
- 未学习 4.1.4直流偏置电路
- 未学习 4.1.5积分和微分运算电路
- 未学习 4.1.6PID运算放大电路
- 未学习 4.2.1轨至轨与运放供电
- 未学习 4.2.2运放的带宽与压摆率
- 未学习 4.2.3输入阻抗与偏置电流
- 未学习 4.2.4零漂移放大器与电流反馈放大器
- 未学习 4.3.1差分放大器
- 未学习 4.3.2仪表放大器
- 未学习 4.3.3.1电流检测方法
- 未学习 4.3.3.2电流检测放大器
- 未学习 4.3.4可变增益放大器与压频转换器
- 未学习 4.3.5隔离放大器与音频功率放大器
- 未学习 4.4.1简单有源滤波器
- 未学习 4.4.2有源滤波器设计软件
- 未学习 4.4.3高频馈通与运放带宽
- 未学习 4.5.1振铃及其成因
- 未学习 4.5.2开环增益与相移
- 未学习 4.5.3相位补偿
- 未学习 4.5.4比较器与正反馈
- 未学习 4.6.1噪声的基本概念
- 未学习 4.6.2噪声的有效值计算
- 未学习 4.6.3噪声计算软件
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- 未学习 逆变电路(二)
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- 未学习 隔离驱动(二)
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