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正文內(nèi)容

散熱設(shè)計(jì)手冊-文庫吧資料

2025-06-09 23:08本頁面
  

【正文】 這種傳熱是大規(guī)模連續(xù)進(jìn) 行的。 就傳熱機(jī)理而言,任何熱量傳遞總是通過傳導(dǎo)、對流、 輻射三種方式進(jìn)行的。所謂穩(wěn)定傳熱是指傳熱量與時間無關(guān),即每單位時間內(nèi)的傳熱量為定值。 本章主要介紹應(yīng)用這兩個基本關(guān)系解決上述四個問題。因此,提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動力和降低熱阻。 ℃/W 。 ℃ ; n ── 管數(shù); d ── 管徑, m; L ── 管長, m。 ( 2) 傳熱速率式 換熱器在單位時間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率,以 Q表示,其單位[ W]。即 Q 熱 =Q 冷, 稱為熱量衡算式。 解決這些問題,主要依靠兩個基本關(guān)系。 7. 致謝 本文作者借此機(jī)會感謝在 Catania的 MOSFET和 IGBT產(chǎn)品技術(shù)和市場部的寶貴建議和支持。 這個模型也可以用於其它的半導(dǎo)體器件,包括雙極型晶體管。唯一需要的輸入?yún)?shù)可以很容易地從制造商提供的產(chǎn)品說明書中得到。 圖 2 不同溫度 Tj 時的輸出特性曲線 (實(shí)測結(jié)果 ) 圖 3 在不同的 Tj 時的輸出性曲線 (模擬結(jié)果 ) 圖 4 電路圖 圖 5 在 10V 時的 RDS(on) (模擬結(jié)果 ) 圖 6 在 10V 時的 RDS(on) (實(shí)測結(jié)果 ) 圖 7 在 10V 時的 VDS(on) (模擬結(jié)果 ) 圖 8 在 10V 時的 VDS(on)(實(shí)測結(jié)果) 圖 9 (從上至下 ): A) Tj 隨時間的變化 B,C) 漏極電流 6. 結(jié)論 本文介紹了大功率 MOSFET 的一種新型的 PSPICE 電路模型,其中包含熱模型,利用這個模型,設(shè)計(jì)人員可以確定硅芯片在瞬變過程中任何給定時刻的平均溫度。 這種 MOSFET 器件是用本公司專有的 Mesh OverlayTM 技術(shù)的經(jīng)過優(yōu)化而制造的產(chǎn)品。下面圖中的曲線是模擬仿真的結(jié)果。 因此 Tjc(t) 可以用下式表示: Tjc(t)= Pave(t) ? Zth(t).+Tcase () 其中 Tcase 取等於環(huán)境溫度。我們也可采用 a) 列表來表示, b)電壓產(chǎn)生器 VPULSE, c) 一種激勵電壓產(chǎn)生器。熱阻曲線 Zth(t) 可以以不同方式納入到這個模型中。 ELAPLACE 起積分的作用,於是得到消耗的能量 E(t);由此可以得到平均功率損耗如下 Pave(tk)= E(tk)/tk () Pave(tk) 當(dāng)然是與時間有關(guān)的,因?yàn)檫@個參數(shù) 是隨著模擬仿真的進(jìn)行而改變的。在電路中,熱阻 Zth(t)的數(shù)值是用電壓來表示的,使用的符號為 V(Zth(t))。它與M1 的模型有關(guān),因而可以建立模擬量行為模型( ABM)。C時 ,電流隨著漏極電壓的變化),增加了電路 G1 。 晶體管 M1 僅僅是 “感知 ”溫度,溫度是指通用的 SPICE變量 “Temp”。然而,可以用圖 4 中所示的 “竅門 ”來解決這個問題。事實(shí)上,利用這種建模方法,使用者可以用數(shù)學(xué)的方法建立模型,不必使用更多的資源。由於一只 MOSFET 的散熱時間常數(shù)為 100ms的數(shù)量級,所以一般這并不成其為問題。那麼,我們可以得到: ?T(t)=Pd? Zth(t) () 如果 Pd 不是常數(shù),那麼溫度的瞬態(tài)平均值可以近似地用下式表示: ?T(t)=Pavg(t) ? Zth(t) () 其中 Pavg(t) 是散發(fā)出去的平均功率。芯片溫度的升高可以用式 () 所示的散熱特性來確定??墒沁@個公式并沒有甚麼用處,因?yàn)槊娣e An 的數(shù)值我們并不知道。 動態(tài)負(fù)載變化所引 的任何熱響應(yīng)的改變都可以直接地進(jìn)行測量,并且用閉路控制的方法來修正?,F(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強(qiáng)的模擬仿真工具,因此有可能在預(yù)測功率損耗和熱設(shè)計(jì)的校核方面做一些 改進(jìn)。 1. 引言 散熱器在計(jì)算時會出現(xiàn)誤差,一般說來主要原因是很難精確地預(yù)先知道功率損耗,每只器件的參數(shù)參差不齊,并不是一樣的,而且在芯片上各處的溫度也是不同的??梢岳眠@個模型來改善散熱器的設(shè)計(jì)。本文介紹 MOSFET 的一種新的 PSPICE 等效熱模型,這個模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系。因而熱問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證變得比大功率器件的電模型更加重要,本文提出一種新的 Pspice 模型,可以利用它計(jì)算 MOSFET 芯片在瞬變過程中的溫度。 傳真: +390957406005。 C。同時考慮到空氣的對流,如果使用帶有齒的散熱器應(yīng)考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對流,例如:當(dāng)使用的模塊輸出功率為 100W,效率為 82%時,滿載時模塊的功耗為: 100/=22W,選用附件中 WS75(75W) 散熱器,其熱阻為 176。 對于功率較大的模塊,須加相應(yīng)的散熱器以使模塊的溫升得到下降。這里的溫升和系數(shù)是在模塊直立,并使下方懸空 1cm,自然空氣流動的情況下測試的。熱阻系數(shù)對于涂黑紫銅的外殼 P25XXX(用于 SMP1250 系列產(chǎn)品的外殼 )來說約為 176。電源模塊外殼散熱表面積的大小直接影響溫升。 散熱 3 熱設(shè)計(jì) 由于電 源模塊的轉(zhuǎn)換效率不可能是 100%,因此自身有一定的功耗,電源模塊本身發(fā)熱的高低,主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。熱阻這種最基本的參數(shù)他們恐怕從來就沒有聽說過。其實(shí)這個值非常大,只要是個散熱片即可滿足。所以不論那種封裝都必須加散熱片,資料里講到加散熱片的時候,應(yīng)該加上 4℃/W 的殼到散熱片的熱阻。要求的熱阻是 65℃/=26℃/W 。 設(shè) I=350mA, Vin=12V,則耗散功率 Pd=(12V5V)*= 按照 TO220 封裝的熱阻 θJA=54℃/W ,溫升是 132℃ ,設(shè)室溫 25℃ ,那么將會達(dá)到 7805 的熱保護(hù)點(diǎn) 150℃ , 7805 會斷開輸出。因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示。則 ( R + ) 20W = 85℃ 55℃ 得到 R = ℃ /W 只有當(dāng)選擇的散熱器 的熱阻小于 ℃ /W 時才能保證芯片表面溫度不會超過 85℃ 。下面舉一個電路設(shè)計(jì)中熱阻的計(jì)算的例子來說明: 設(shè)計(jì)要求: 芯片功耗: 20 瓦 芯片表面不能超過的最高溫度: 85℃ 環(huán)境溫度(最高): 55℃ 計(jì)算所需散熱器的熱阻。選擇散熱器時,除了機(jī)械尺寸的考慮之外,最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻。同樣,散熱器與芯片表面之間也會存在一定的熱阻。風(fēng)扇的使用也分為 兩種形式,一種是直接安裝在散熱器表面,另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上,提高整個空間的空氣流速。 在實(shí)際應(yīng)用中,散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時使用。 通常條件下,熱量的傳遞包括三種方式:傳導(dǎo)、對流和輻射。隨著芯片速率的不斷提高,單個芯片的功耗也逐漸變大,例如:Intel的奔騰CPU的功耗可達(dá)到 25W。 嘿 !嘿 !如何 .寫到這兒 ,如果您是屬于完全領(lǐng)悟參透型的高手 ,那筆者不但恭喜您 ,而且相信您一定也是一位玩熱的專家 ,若您是屬于不知筆者所言為何物型的看官也別著急 ,看看下面的照片或許能加深您的印象: Intel Pentium IV 的 CPU 在紅外線攝影機(jī)下拍到的熱像就是那樣 ,金屬帽因?yàn)闊彷椛湎禂?shù)低 ,相對熱輻射量就小 ,所以顏色溫度低 ,而芯片基板上表面是接近樹脂材料所以熱輻射系數(shù)較高 ,相對熱輻射量就大 ,溫度顏色就高 .如此 ,懂了嗎 ? 熱輻射 所以熱輻射的定義是如果物體本身 是一個好的輻射散熱體 ,那相對的它也絕對會是一個好的輻射吸熱體 ,這吸熱與散熱就端看物體表面本身的溫度與周圍或另外一個物體表面的溫度是高是低 .若是高 ,則熱便會藉由熱輻射散出去 ,反之熱就會被吸收進(jìn)來 .而通常在熱對流效應(yīng)相對很強(qiáng)的情況下 (尤其是裝風(fēng)扇的 CPU Cooler),熱輻射量相對就有限 ,它與之前所說的熱對流散熱效應(yīng)比較起來 ,幾乎是可忽略的一環(huán) .但是 ,反過來說 ,像部份芯片的被動式散熱片 (Chipset Heat sink),它的熱對流散熱效應(yīng)較不明顯 ,反而會使得熱輻射散熱效應(yīng)相對提高 ,有時甚至?xí)汲^ 30%的 總散熱量 . 這兒之所以我們稱它散熱的原因 ,就是因?yàn)槲覀兯劦纳崞际茄b附于熱源上 ,通常它的溫度都會比周圍環(huán)境溫度要高出許多 . 而至于絕熱呢 ?我想我也提出一些問題讓各位想一想 ,保溫瓶內(nèi)為什么要用絕熱體包附水銀膽呢 ?給您一個提示 ~亮面如鏡的水銀膽反射率可是非常高的喔 .那像衛(wèi)星呢 ?沒有大氣層的水及空氣保護(hù)吸收太陽的輻射熱 ,不會有過熱的問題嗎 ?衛(wèi)星上一樣有高精密的電子組件 ,耶 !重點(diǎn)就在于衛(wèi)星面向太陽的表面有一層反射率非常高的披覆層保護(hù)著 ,讓太陽的熱輻射量 ,除了太陽能板之外 ,幾乎全部反射回去 ,以減少熱輻射量 的穿透跟吸收 . 各位聰明的看官 ,說到這兒 ,您認(rèn)為是吸熱 ,散熱 ,還是絕熱重要呢 ?您是否對 熱 這個現(xiàn)象已有初步的概念了呢 ?別著急 ,將來有一天你也會跟筆者一樣對它又愛又恨的呢 !話又說回來 ,吸熱 ,散熱 ,絕熱其實(shí)各有所長 ,也各有其應(yīng)用于熱的時機(jī) ,端看您的應(yīng)用領(lǐng)域而有所區(qū)別 ,其實(shí) ,大部份時候它們還是相互交會運(yùn)用的機(jī)會較大呢 ! 好 ,我假設(shè)各位對所謂的熱傳遞形式熱傳導(dǎo) (Conduction),熱對流(Convection),熱輻射 (Radiation)都有了初步的認(rèn)識 ,讓我?guī)透魑徽硪幌滤季w ,把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回到 CPU Cooler 的基本架構(gòu)上 ,一塊一塊的剖開來定義清楚 ,現(xiàn)在讓我們進(jìn)入到下面的這張圖片去 : (1) 風(fēng)扇 :熱對流組件 ,功能上就在于驅(qū)動空氣灌入下方的散熱片中 ,利用新鮮且大流量的冷空氣灌入 ,并加上風(fēng)扇本身驅(qū)動流場的甩動特性 ,提高了之前所提到過的熱對流系數(shù)值 (Hest Transfer Coefficient).藉此提高 熱對流的散熱效果 .其所占散熱的比例份量最重 ,算是散熱界當(dāng)紅的炸子雞 . (2) 扣具 :嚴(yán)格說 ,它算是機(jī)構(gòu)組件 ,不是散熱組件 .主要是將散熱片扣合在 CPU的表面上 ,但研究發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)散熱片底板與熱源接觸面受力越大 ,則固體表面間的接觸熱阻抗越小 ,所以 ,扣具的研發(fā) ,也慢慢轉(zhuǎn)型為針對散熱片受力均勻性為重點(diǎn) .既然牽涉到接觸阻抗 ,那就牽涉到散熱片底部的吸熱能力 ,所以 ,扣具也算是半個熱傳導(dǎo)組件 . (3) 散熱片 (鰭片部份 ):我們細(xì)分這個部份 ,它算是連接 (吸熱 )熱傳導(dǎo)與熱對流及熱輻射 (散熱 )的最重要管道 ,因?yàn)樯岬娜笞罨緱l件就 是 面積 ,面積 ,面積 ,讀者可參詳 Part2 與 Part3的內(nèi)容公式便知 ,這散熱片的技術(shù)與工藝主要就在這兒 ,其次 ,表面陽極處理也是一個非常重要的工藝 ,它不僅僅是設(shè)計(jì)上的美觀 ,更牽涉到輻射熱交換量的多寡 ,所以 ,鰭片設(shè)計(jì)的好壞 ,直接決定了產(chǎn)品的生死 .當(dāng)然各種不同的機(jī)械加工產(chǎn)品各有其設(shè)計(jì)上的考量 (有的是以吸熱為主 。明月照大江 的太極絕學(xué)了 .待我解釋完 ,您就知道我開頭所述句句真言 ,絕無誑語 .別看它又清風(fēng) ,又明月的 .真發(fā)起來 ,那可是招招重手 ,決不留情 .(您以為炎炎夏日太陽的熱情是靠熱傳導(dǎo)或 熱對流招呼到您身上的嗎 ?再舉個更生活的例子 ,沒用過也看過燈管式電暖氣吧 ?再告訴您一個小秘密 ,筆者求學(xué)時就曾經(jīng)利用180 瓦的工地用鹵素大燈兩個煮三人份的火鍋 ,不蓋你 ,這些都得拜熱輻射所賜 !)這說完它加熱的好處 ,我留一點(diǎn)篇幅稍后 再解釋它與散熱 ,絕熱的關(guān)系 .讓我們先把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回它的原理上 . 有人曾問筆者 ,熱輻射是不是放射性的 a,b,g 輻射波 ,您說呢 ?那可是對任何生
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