Расчёт радиатора и теплового режима компонента
Радиатор выбирают не по мощности компонента в названии, а по реальным потерям и полному пути тепла от кристалла до окружающей среды. Один и тот же транзистор может работать холодно на многослойной плате и перегреваться на макете, хотя электрический режим формально одинаков. Цель расчёта — удержать температуру перехода ниже выбранного проектного предела во всех режимах. Сначала задайте максимальную температуру воздуха у устройства, а не температуру помещения. В закрытом шкафу воздух рядом с платой может быть существенно горячее. Затем определите максимальные потери, допустимую температуру перехода с запасом и доступные пути отвода тепла: медь платы, корпус, радиатор, шасси и поток воздуха.
Рассчитайте потери в худшем рабочем режиме
Для линейного стабилизатора основную оценку дают падение напряжения и ток. У MOSFET учитывают проводящие и переключательные потери, заряд затвора, обратное восстановление связанных диодов и режим пуска. У диода — прямое падение, ток и коммутационные эффекты. Потери преобразователя можно получить из измеренного КПД, если режим и точность измерения известны.
Используйте максимальные или консервативные параметры при рабочей температуре. Сопротивление открытого канала обычно растёт с нагревом, что создаёт обратную связь. Средняя мощность недостаточна для коротких импульсов: необходимо проверить safe operating area и переходный тепловой импеданс.
Тепловая цепь похожа на электрическую
В установившемся режиме рост температуры приблизительно равен произведению мощности на суммарное тепловое сопротивление. Для компонента на радиаторе цепочка включает junction-to-case, сопротивление термоинтерфейса case-to-sink и sink-to-ambient. Из допустимого роста температуры и потерь получают максимально допустимое суммарное сопротивление, после чего вычитают известные участки.
Эта модель работает только при согласованных точках измерения и условиях. RθJC нельзя складывать с произвольным RθJA: последнее уже описывает полный путь в конкретной тестовой плате или среде. Если тепло одновременно уходит через выводы и корпус, простая последовательная цепочка становится приближением, и полезна тепловая модель производителя.
RθJA не является постоянной характеристикой кристалла
Junction-to-ambient сильно зависит от площади меди, числа слоёв, тепловых переходов, ориентации платы и движения воздуха. Значение в datasheet получено на определённой стандартной плате. Оно пригодно для сравнения при одинаковых условиях, но не обещает такую же температуру в вашей конструкции.
Для компонентов с exposed pad печатная плата является частью радиатора. Выполняйте рекомендуемый land pattern, сеть thermal vias и медные площади. При этом электрический потенциал тепловой площадки может ограничивать возможность соединения с шасси или общей медью.
Параметры Ψ и θ нельзя смешивать
Производители могут приводить junction-to-top или junction-to-board characterization parameter. Такой Ψ-параметр помогает оценить температуру перехода по измеренной температуре корпуса или платы в близких условиях, но не всегда является настоящим тепловым сопротивлением для проектирования отдельного пути. Пользуйтесь определением конкретного datasheet.
Температуру верхней поверхности измеряют в указанной точке тонкой термопарой или откалиброванным ИК-методом. Толстая термопара и большой слой клея способны сами отводить тепло и искажать результат. Эмиссионная способность блестящих металлов также делает ИК-измерение без подготовки ненадёжным.
Радиатор выбирают с учётом интерфейса и воздуха
Каталожное sink-to-ambient задаётся для определённых ориентации, длины профиля и скорости воздуха. В естественной конвекции вертикальные рёбра обычно работают иначе, чем горизонтально закрытые. Соседняя стенка, пыль и кабели могут уменьшить поток. Для принудительного охлаждения учитывают рабочую точку вентилятора и сопротивление корпуса.
Термопаста заполняет микронеровности, но не должна образовывать толстый изолирующий слой. Электроизоляционная прокладка добавляет тепловое сопротивление и требует правильного прижима. Проверяйте плоскостность, момент крепежа, шайбы и электрическую изоляцию после сборки. Для металлического корпуса компонента потенциал площадки особенно важен.
Несколько источников нагревают друг друга
Если на одном радиаторе стоят несколько транзисторов, sink-to-ambient определяется их суммарной мощностью, а локальный переход от каждого к радиатору — индивидуально. На плате горячий дроссель или резистор повышает локальную температуру воздуха и меди вокруг микросхемы. Нельзя рассчитывать каждый компонент как единственный источник в холодной среде.
Полезно построить тепловую карту режимов: максимальная постоянная нагрузка, кратковременный пуск, отказ вентилятора, повышенное входное напряжение и загрязнённый фильтр. Защита по температуре должна срабатывать до опасного режима, но не заменяет нормальный тепловой расчёт.
Переходный режим проверяют по Zth
Краткий импульс нагревает кристалл раньше, чем радиатор успевает заметно изменить температуру. Для него используют transient thermal impedance или RC-модель производителя и профиль мощности во времени. Повторяющиеся импульсы могут складываться; значение для одиночного импульса неприменимо без учёта периода.
После расчёта испытайте прототип при максимальной температуре среды и худшем электрическом режиме. Дождитесь теплового равновесия для непрерывной нагрузки, измерьте характерные точки и сравните их с моделью. Разница показывает, какой участок теплового пути был оценён неверно.
Чек-лист перед заказом
- Потери рассчитаны для максимальных напряжения, тока, частоты и температуры.
- Выбран проектный предел Tj, а не только абсолютный максимум.
- Тепловые параметры взяты для нужного корпуса и не смешаны неверно.
- Учтены плата, медь, vias, термоинтерфейс, крепёж и ориентация радиатора.
- RθSA проверено при реальном воздушном потоке и ограничениях корпуса.
- Взаимный нагрев нескольких компонентов включён в модель.
- Импульсный режим проверен по Zth и safe operating area.
- Прототип измерен в установившемся и переходном режимах.
Источники для технической проверки
Параметры и ограничения сверяйте с актуальной документацией производителя для полного артикула и нужного исполнения.
Следующий шаг
Проверьте артикулы и количество до отправки заявки
Загрузите спецификацию в BOM-сервис или пришлите полный код производителя менеджеру. Если точное совпадение не доказано, позиция останется на ручной проверке.