半导体的结温。对元件的可靠性影响极大。
相对于25℃的结温。达到100℃时的故障率将增大160倍,图1示出了温度与故障率的关系。
因此,对电子设备的设计。需要为降低每1℃温度下功夫。
设计高可靠性的电源,首先是减少损耗。然后是将转变出的热量快速地释放到大气中。为了求出因能量而上升的温度。引出了热阻的概念。即θ(℃/W):给物体加上1w的能量所上升的温度(温升)。图2是给发热体加上电能后的热回路图。与电路的欧姆定律相似。如将环境温度看作零温度(与零电位相似)的话,则加上电能P后。发热体的温升:T(℃)=Pθ。
三端稳压器安装在散热器上(见图3a),图3b是其热回路图。结温的简略计算公式为公式A;如果损耗大而必须用散热器的话。可忽略θja而用公式B。将热量释放到大气中。其散热途径有三种:1.传导;2.对流;3.辐射。传导主要发生在三端稳压器与散热器之间。而对流主要发生在散热器和大气之间。辐射则主要指散热器向大气释放热量。
如果指望将辐射作为主要的散热方式。则需要散热器有足够大的包络体积(长×宽×高)。
此时可用图4a求出热阻;若用铝板或铁板作平板散热器,则按图4b计算热阻。
如果指望将对流(自然冷却)作为主要的散热方式。则要将散热器的槽按纵向安装(如图5a。图5b、图5c方式热阻大)。
图6是实际散热器的一例。
型号为17FB50(日本型号)。当按槽的纵方向安装时其热阻为4.9℃/w;若按图4a的包络体积算的话。其热阻为8℃/W (见表1)。相差的3.1℃/w需要靠对流来散热。根据经验。自然冷却时散热器槽的间隔以6—12mm为宜
宽比窄热阻小。散热器表面作黑色或氧化处理可降低热阻。
长度(L) | 实测热阻 | 测定时的处理 | 包络体积 | 计算热阻 |
mm | ℃/W | 表面黑色氧化纵向安装自然冷却 | mm³ | ℃/W |
50 | 4.9 | 42500 | 8.0 | |
100 | 3.8 | 85000 | 5.0 | |
150 | 3.3 | 127000 | 3.9 |
在强制风冷状态下。因为散热器是与空气流接触。故散热器表面不用作特殊处理。槽也可以窄一些。主要关注表面积的大小。不过也要注意槽太窄时。强风通过时会产生啸叫等噪音。
具体的散热设计如图7所示。输入电压12V,输出5V、O.5A.损耗Pd=(Vin-Vout)Iout=(12—5)x0.5=3.5W;设最大结温Tj=100℃、环境温度Ta=60℃。则Tj=Pd(θjc=+θch+θha)+Ta,可求出θha/=[(100-60)/ 3.5]-5-O.5=5.9℃/W。可选用前文述及的17FB50(4.9℃/W)散热器。
设计例中。环境温度可选40℃。但电子设备一般都有机箱。在机箱内环境温度应选至60℃;机箱与散热器间的热阻取0.5℃/w(机箱与散热器之间涂散热硅脂);θjc=0.5是从产品手册中查出的数据。由于还未考虑机箱内空气对流情况及其他热源的影响,选择了有一定富余量的散热器,但还应在电子设备工作时实测三端稳压器的温度加以确认。