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硬件设计-热量管理

    在设计电路中,经常会碰到一些功耗较高的元器件,如电源芯片、MOSFET、IGBT等。线型电源芯片选择时,知道输入电源、输出电源、以及输出电流时,以前个人做法就是,稳定工作时,电源芯片的外壳不烫手,所以尽量选择大一点的外壳封装芯片。如24V电源转18V电源,需要输出电流100mA,可选用78系列芯片,其封装有直插TO220、TO92,贴片TO236、TO89、TO252、SO8等等,这些芯片输出电压18V,输出电流都大于100mA,如何选择呢?

    我们先计算一下芯片功耗P=(24-18)*0.1=0.6W,0.6W的功耗到底选择多大的封装呢?选择大一点的肯定没问题,能不能选择小一点,如何选择呢?后来知道了热阻这一概念,事情就好办了!下面解释一下热阻(网络中找到的)

    热量在热流路径上遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,表明了 1W热量所引起的温升大小,单位为℃/W或K/W。用热功耗乘以热阻,即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义,换热量相当于电流,温差相当于电压,则热阻相当于电阻。

    那么现在我们知道了0.6W的芯片,如果芯片内部温度最高是125°,外壳温度为116°,那么它内部到外壳的热阻就是内外温差除以功耗等于15℃/W。(注意:这只是它的测量方法,电阻不是由电压和电流决定的,同样热阻也不是由温差和功耗决定的)

    如果一个贴片芯片,其散热途径是:芯片内部->芯片外壳->环境,那么红色到绿色的热阻为Rjc,红色到灰色的热阻为Rja。

   网络中找到的相关定义:

   热阻Rja:芯片的热源结(junction)到周围冷却空气(ambient)的总热阻,乘以其发热量即获得器件温升。

热阻Rjc:芯片的热源结到封装外壳间的热阻,乘以发热量即获得结与壳的温差。

 下面我们看一下ST的L78L18数据手册:

  现假设,SO-8封装的L78L18内部结温达到最高温度125°,其Rjc为20,功耗0.6W,反向得出外壳温度Tc为125-20*0.6=113°,也就是说0.6W时,最要外壳温度Tc低于113°,那么芯片都没有问题。

 如果此时SO-8,封装下面有一个6平方cm的铜箔的话,则Rja为55,同样0.6W,反向计算出环境温度Tj为125-55*0.6=92°,同样得出功耗0.6W、封装SO8(下面铜箔6平方cm)的L78L18在环境温度低于92°以下就能正常工作。按经验在打一个8折,73°以下,这样的设计应该就可以了。

   如果我们选用TO92封装,那要求环境温度为多少?125-200*0.6=5°,要求5°以下才能正常工作,所以TO92的封装0.6W的功耗就不够用了。

下面看一下ST的L7818系列的数据手册:

 最高结温150°,TO220封装,Rjc=5、Rja=50,0.6W功耗,最大壳温Tc=147°、最大环境温度Ta=120°

温度还会影响其他参数,同时各个厂家的热阻、最高结温不一样,根据我们的需要选择性价比合适的芯片。

 

 

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