【技术专辑】如何使用散热器保持功率晶体管冷却

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初学者

 

哪些设备会产生热量?

 

关于电路,这个问题的广泛答案是 - 所有这些。电路中的热量是由电阻引起的,电阻是电路各部分的特性:电线,电容器,电阻器,半导体,电池,焊料。热是由电流穿过电阻引起的效应,其中电力以温度升高的形式损失到周围介质。在许多这些部件中,加热是微不足道的; 除非你是一名电力工程师,否则你可能不需要处理用矿物油冷却铜线的问题。然而,对于这些装置中的一些,热量是一个需要解决的真正问题 - 特别是半导体产生的热量。

 

类似物

 

在半导体的模拟应用中,在电压调节器和输出晶体管中最常遇到热量。对于稳压器,热量损失很容易概念化:如果你有一个12伏电源,并希望使用一个稳压器产生5伏的输出,然后用一个输出电流吸收一个输出电流,调节器有12瓦特进入设备,5瓦出来。其他7瓦发生了什么?它们以热的形式被烧掉了; 在谈论消散这种热量时,我们将回到这个例子。

 

在输出晶体管时 - 在理想情况下,晶体管在完全开启或完全关闭时不会耗散功率。为了说明这一点,我们可以使用理想开关的经典示例:

 

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案例1:切换打开

 

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案例2:关闭开关

 

在情况1中,开关是开路的,没有电流可以流过开关或电阻器,因为我们根据欧姆定律得出:

 

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现在在情况2中,开关已经闭合,现在有1mA的电流流过开关和电阻。现在通过我们的开关有电流,让我们来看看它耗散了多少功率。我们知道理想的闭合开关是完美的导体,即没有阻力; 所以我们的开关消耗功率方程就变成了

 

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因此,在闭合或打开的情况下,开关不会消耗功率。然而在现实生活中我们没有使用理想的元件:BJT在完全导通时通常具有大约0.2伏的VCE_Sat,甚至MOSFET在完全导通时具有小的电阻RDS_On。在大多数情况下,这些值足够低,功耗非常低; 它是断断续续的状态,耗散了最多的力量。在诸如音频功率放大器的功率处理设备中,晶体管将放大正弦波形以被传送到低阻抗负载,通常是扬声器。

 

一个适当偏置的A类输出(一个工作在整个360度波周期的输出)将使这个输出晶体管在关断和开启之间不断转换,从未完全达到,以模拟输入的正弦模式。因此,A类放大器将在施加零信号的情况下消耗最大功率,因为此时晶体管将正好处于关闭和开启状态之间。这一点很重要,因为在零输入条件下消耗的功率将用于确定保持晶体管不会过热所需的散热器尺寸。B类输出(其中每个输出设备仅在波周期的一半时间内工作)将产生更少的热量,因为它将一半的时间用于偏置的完全关闭状态。

 

数字

 

在半导体的数字应用中,目标是在时钟频率下在开关状态之间切换,在两者之间不花时间,从而不消耗功率。我们再次遇到这些设备并不完美的问题; 对于给定的CMOS晶体管,存在基于物理器件的尺寸和寄生电容的最小转换时间,其限制了它在关断和打开之间切换的速度。在此过渡期间,器件将以热量的形式耗散功率。当数字芯片的时钟速度增加时,关闭或开启状态所花费的时间减少但转换时间保持不变。因此,随着速度增加,稳态与过渡态的比率减小并且更多的功率损失到热量。

 

散热

 

现在我们知道设备散热的方式和原因,那么我们如何控制它呢?就像有良好的电导体一样,有良好的导热体。诸如铜和铝之类的材料是优良的导热体,并且被用作称为散热器的装置,以帮助快速地将热量从半导体移动到空气中,从而防止对芯片的热损坏。散热器的表面积越大,它就越能将热量传递到空气中。下图描绘了一对散热片; 散热片上的散热片增加了表面积。

 

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电导体与热导体的比较并非偶然,并且控制两者的等式是类似的:欧姆定律 - >电压=电阻*电流温升 - >Δ温度=热阻*功耗或使用标准变量指定:

 

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例如,早先的电压调节器从1伏特的12伏电源给出5伏电压,这样做耗散7瓦。LM7805是一种能够实现这一目标的典型器件,但我们需要什么样的散热片来帮助稳压器消耗7瓦?检查LM7805的数据表(可通过快速Google搜索获得),我们看到半导体结与器件外壳的热阻为每瓦5摄氏度,结点与环境空气的电阻为65摄氏度每瓦特。

 

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使用我们的温度方程和数据表中的规格,我们看到:

 

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因此,我们在散热器中需要的MINIMUM热阻为9.29 C / W; 但是在工程方面,我们总是希望给自己一个误差,在这种情况下,让我们去20%。这意味着我们实际上需要找到一个热阻不超过7.43 C / W的散热器。此时,我们可以访问Mouser或Digikey等电子部件经销商网站,寻找适合TO-220外壳并具有合适热阻的散热器。我很快发现Mouser的第532-504222B00号零件,其热阻为6.4 C / W; 这将完美适用于我们的应用程序。安装散热器时,在外壳和散热器之间使用导热膏非常重要。这是因为它会填满两者之间的任何微小空气,导致热阻增加 - 我们绝对不希望这样。

 

热量是任何工程师都会在他们的职业生涯中遇到的问题。重要的是要认识到硬件的局限性,并能够使用适当的散热器进行补偿。数据表将永远是你的朋友,因为你要努力确定在你的特定情况下最佳冷却过程是什么,并且记住给自己一个错误的余地会让你获得成功。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计