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1、科技信息2010 年第 25 期SCIENCE Thermal Design; Heat Sink科教前沿487科技信息SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2010 年第 25 期图1固态继电器热阻示意图 Fig.1SCR thermal resistance Schematic diagram显然，如果固态继电器内部功率消耗是可知的，那么固态继电器 内部功率器件结点温度Tj是可以计算出来的。 通常，固态继电器内部 功率器件结点最高允许温度为125。 为安全保险起见， 一般保留 10的安全余量，所选散热器要保证固态继电器内部功率器件结点温 度不要超过115。Tj功率
2、（P）总热阻。 固态继电器生产商提供固态 继电器内部功率元件结点到基板的热阻，散热器生产商提供散热器到 周围空气的热阻，而固态继电器基板与散热器之间的热阻取决于安装 过程，确保固态继电器基板与散热器安装面干净，平整，光板（不要涂 漆）对降低热阻非常重要。另外，在固态继电器基板和散热器之间涂上 一层薄薄的导热材料（如导热硅脂），可以大大减少固态继电器与散热 器的接触热阻。请务必注意，导热材料不能太厚，如果太厚只会增加热 阻。正确的做法是：涂上薄薄一层导热材料，然后用力压紧固态继电器 和散热器，并左右旋转，使固态继电器基板与散热器接触良好。 在一些应用中，固态继电器可以直接安装到箱体的背板上。 根
3、据 箱体的材料和环境温度情况，一般在负载为78安培时，可以采用这 种方式，但箱体绝对不能有任何涂漆，必须是光板，并且每个固态继电 器所占用的面积不能小于25平方英寸。 当电流更大时，必须选用适当 的散热器。 2.2电源芯片热设计 下图所示的电源芯片在实际应用中的热阻回路：图2电源芯片热阻回路 Fig.2Power Chip thermal resistance circuitRjc：器件结到壳的热阻，Rjc =Tjc/Pd = (Tj - Tc)/Pd，由器件制 造商决定,使用者无法改变它 Rcs：器件底部与散热器之间的热阻，通常叫界面热阻, Rcs= Tcs/Pd = (Tc - Ts)/P
4、d，它取决于散热片的装配或衬垫材料特性 Rsa：散热器热阻，Rsa =Tsa/PD = (Ts - Ta)/Pd Rja：总热阻，Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Pd 由以上关系式，可知Rsa = (Tj - Ta)/Pd - Rjc - Rcs Tj和Rjc可查器件手册获得, Ta和Rcs由设计人员确定,注意 Ta应为器件工作的“实际”环境。Rcs取决于表面抛光、平整度、衬垫安 装压力、接触面及界面材料和其厚度。 为设计考虑，一般设Tj为125。 在较坏的环境温度情况下，一般 设Ta=4060。Rjc的大小与管芯的尺寸和封装结构有关，一般可 以从器件的数据
5、资料中找到。Rcs的大小与安装技术及器件的封装有 关。 如果器件采用导热硅脂或导热垫后，再与散热器安装，其Rcs典型 值为0.1/W0.2/W，若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘， 则其Rcs可达1/W。 根据计算求得的Rsa选择合适的散热器。 热设计的理论计算是一个普适原则，在实际设计中应留出足够余 量。因为提供数据的准确性、由元件到散热器的安装状况、散热器表面 的空气对流状态、热量的非稳态分布等都是非理想化的因素，应予考 虑 ，对于符合要求的散热器，应根据实际需要进行优化设计。3散热器选取3.1散热器选取原则 散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一 定长度而制成非标准
6、的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色 氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。 在自然冷却下可提高10%15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500V800V。 散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给 出在不同散热条件下的不同热阻值。 常规散热器趋向标准化、系列化、通用化，而新产品则向低热阻、 多功能、体积小、质量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。 合理 地选用、设计散热器，能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可 靠性。 各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力 矩的不同，会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。 选择散热 器的
7、主要依据是散热器热阻Rth。 在不同的环境条件下，功率器件的 散热情况也不同。因此，选择合适的散热器还要考虑环境因素、散热器 与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的体积、质量等因素。 另外，在自然对流情况下，辐射热传递的作用较突出，辐射热传递 可以提高25%的散热量，除非是器件附近有高热源，都应选择表面涂 覆或氧化处理的散热器以提高辐射性能。 3.2散热器的额定冷却条件 自冷散热器环境温度不高于40空气自然对流的风速不大于 0.5m/s 风冷散热器进口空气温度不高于40进口端风速为6m/s 水冷散热器进口水温度不高于35水流量为4L/min 3.3选用散热器的综合考虑 选用散热器应综合考虑散热
8、器的散热能力范围、冷却方式、技术 参数和结构特点。 一种器件仅从技术参数看，可能有两三种散热器均 能满足要求，但应结合冷却、安装、通用互换和经济性综合考虑选取。 3.4散热器使用中应注意事项 3.4.1风冷散热器安装时散热器叶片应沿冷却风气流方向，风冷散热 器若用于自冷则需根据散热器热阻与风速关系曲线在零风速附近的 热阻值决定散热器的负载能力。 3.4.2水冷散热器的水质应有一定要求， 循环水的电阻率应不低于 0.5kcm，PH值在69之间， 水冷散热器在工作时应特别注意防漏 水、防堵塞、防凝露。4选型实例4.1固态继电器或模块散热器选型实例 通过如图3所示的性能曲线，选择合适热阻的散热器。图
9、3固态继电器性能曲线 Fig.3SCR performance curves此图以50A固态继电器为例。 假设工作电流为30A，从左边功率 消耗曲线可以知道，固态继电器此时消耗的功率为30瓦，水平往右， 我们可以发现，如果环境温度为40度，则需要选用热阻为2/W热阻 的散热器，然而，固态继电器内部功率元件节点极限温度是115，因此选用热阻为1.5/W热阻的散热器会更合适。 4.2电源芯片散热器选型实例 电源控制芯片：LT1085CT，采用电压可调设计 冷却方式：自冷，空气自然对流的风速不大于0.5m/s 环境温度：40 输入电压：Vin=10V 输出电压：Vout =5V 输出电流：Iout
10、=3.5A 查阅LT1085CT的datasheet可得，该型号电源芯片的相关参数如下：Control Section结温Tjmax=125 Power Transistor结温Tjmax=150科教前沿488科技信息2010 年第 25 期SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION开发微控制器（MCU）程序的一个工具，它综合了编辑器和工程管理器 的集成工作环境。 源文件全部组织到工程之中，文件的编辑和工程的 构筑也在这个环境中完成。 编译错误显示在状态窗口中，并且用鼠标 单击编译错误时， 光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行。 工程管理器能直接产生所希望直接使用的
11、二进制文件。 Protues运行于Windows操作系统中，可以仿真、分析各种模拟器 件和集成电路。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功 能。 同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态。 ICCAVR和Protues在单片机教学中应用相当广泛和方便。 学生 由此可以自己设计综合性实验。 不仅了解了程序的编辑调试，也学习 的系统硬件电路的设计。在单片机教学中也没有损耗，减少了开支。提 高了教学效率，到达了很好的教学效果。【参考文献】 1詹卫前ImageCraft ICCAVR的中文使用说明EB/OLhttp:/download.chinaprj. cn/detail/DqqqrTD.
12、 2周润景，张丽娜基于PROTEUS的AVR单片机设计与仿真北京：北京航空 航天大学出版社，2007,7.作者简介：谢兵，男，攀枝花学院，教师。责任编辑：曹明明科科Rjc=0.7/3.0/W 但由于电路设计采用了LT1085CT输出电压可调的特性，所以其 参考电压Vref的准确性决定了其电源电压输出的精度。 下图曲线为 LT1085CT的参考电压和温度的关系曲线，由图可知，当温度小于25 或大于80时，参考电压Vref将不再等于1.25，因此，为了保证输出 电压精度，散热设计时应保证LT1085CT的结温不高于80。 因此取 Tjmax=80，同时满足以上提到的两个结温要求。图4LT1085C
13、T性能曲线 Fig.4LT1085CT performance curves设环境温度Ta=40，Rcs=0.2/W（芯片涂抹导热硅脂后，与散热 器安装），计算散热器的热阻： Pd= (VinVout)* Iout =（10-5）*3.5=17.5W Rsa(Tj - Ta)/Pd - Rjc - Rcs =（80-40）/17.5-0.7-0.2 =1.386图5散热片热阻曲线 Fig.5Heat sink thermal resistance curve上图为三河亚泰提供的热阻曲线， 由图可知， 自冷条件下，L 50mm即可满足热阻要求， 取L=50mm， 由上图曲线可知热阻Rsa = 0
14、.85/W，重新验证结温： 对于参考电压要求 （25Tj80）：Tj=（Rsa+ Rjc+ Rcs）* Pd+ Ta=（0.85+0.7+0.2）*17.5+40=70.62580，满足要求。 对于控制部分 （Rjc=0.7/W）：Tj=（Rsa+ Rjc+ Rcs）* Pd+ Ta=（0.85+0.7+0.2）*17.5+40=70.625125，满足要求。 对于功率晶体管部分 （Rjc=3.0/W）：Tj=（Rsa+ Rjc+ Rcs）* Pd+ Ta=（0.85+3+0.2）*17.5+40=110.875150，满足要求。 散热器温升=80-40=40， 根据热阻可求得散热器功耗=40
15、/0.85= 47.06W， 根据三河亚泰提供的参考数据12cm2/W， 则所需有效面积= 47.06*12=564.72cm2 综上，通过计算，只要选择L50mm且有效面积565cm2的散热 器即可满足设计中的散热要求。 由于输出电流3.5A超过了LT1085CT的额定输出电流 （3A），因 此设计时需要两片或两片以上LT1085CT并联输出，因此L的长度在 满足上述要求的基础上需要参考实际安装需求选取， 综合散热片长 度、散热面积以及设计兼容等因素，选用三片LT1085CT输出，散热片 选用亚泰的SRX-YEM型号，其L=132mm，有效面积为663cm2，经试 验验证，可使输出电压稳定在
16、50.05V，输出无明显纹波，同时散热片 壳温连续测量30分钟，不超过65，满足设计要求。5结束语文中详细地描述了功率器件的热设计过程，用于指导实际应用中 功率器件的热设计和散热器选型，减少反复试验，提高设计效率。【参考文献】1王建石，编.电子设备结构设计标准手册.北京:中国标准出版社，2001,10.2鲍承斌.功率器件热设计及散热计算.电子设计应用，2007年01期.3Seri Lee, Aavid Thermal Technologies,How to select a heat sink,June 1995 - Vol.1, No.1, ElectronicsCooling作者简介：孙海涛（1979.9），女，硕士，工程师，主要致力于磁共振设备中相关电路设计及软件设计，沈阳东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司。仝永强（1976.2），男，本科，工程师，主要致力于供热、通风、空调相关的专业设计和现场工程管理，
