led灯具散热知识-非常有用

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1、散热 在普通的数字电路设计中， 我们很少考虑到集成电路的散热， 因为低速芯片的功耗一般很小， 在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功 耗也逐渐变大，例如：的奔腾的功耗可达到 25W。当自然条件的散热已 经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时， 就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面 热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。 通常条件下，热量的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体 之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递， 对流是借助流体的流动传递热量， 而辐 射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。 在实际应用中

2、，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过 和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器， 散热器通常是一块带有很多叶片的热的 良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。 风扇的使用也分为两种形式， 一种是直接安装在散热器表面， 另一种是安装在机箱和机架上， 提高整个空间的空气流速。 与电路计算中最基本的欧姆定律类似， 散热的计算有一个最基本 的公式： 温差 = 热阻 功耗 在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的“阻力“称为热阻，散热器与 空气之间“热流“的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存

3、在， 在散热器和空气之间就产生了一定的温差， 就像电流流过电阻会产生电压降一样。 同样， 散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻。热阻的单位为/W。选择散热器时，除了机 械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。 下面举一个电路设计中热阻的计算的例子来说明： 设计要求： 芯片功耗： 20 瓦 芯片表面不能超过的最高温度： 85 环境温度（最高） ： 55 计算所需散热器的热阻。 实际散热器与芯片之间的热阻很小，取 01/W作为近似。则 （R + 0.1） 20W = 85 - 55 得到 R = 1.4 /W 只有当选择的散热器的热阻小于 1.4/W时才能

4、保证芯片表面温度不会超过 85。 使用风扇能带走散热器表面大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之 间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例： 风速（英尺/秒） 热阻（/W） 0 3.5 100 2.8 200 2.3 300 2.0 400 1.8 散热 2 我用 7805 7810 如何计算散热片尺寸？ 以 7805 为例说明问题。 设 I=350mA，Vin=12V，则耗散功率 Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W 按照 TO-220 封装的热阻 JA=54/W，温升是 132，设室温 25，那么 将会达到 7805 的热保护点 150，7805

5、 会断开输出。 正确的设计方法是： 首先确定最高的环境温度，比如 60，查出民品 7805 的最高结温 TJMAX=125，那么允许的温升是 65。要求的热阻是 65/2.45W=26/W。再 查 7805 的热阻，TO-220 封装的热阻 JA=54/W，TO-3 封装（也就是大家说的 “铁壳”）的热阻 JA=39/W，均高于要求值，都不能使用（虽然达不到热保 护点，但是超指标使用还是不对的）。所以不论那种封装都必须加散热片，资料 里讲到加散热片的时候，应该加上 4/W 的壳到散热片的热阻。 计算散热片应该具有的热阻也很简单，与电阻的并联一样，即 54/x=26， x=50/W。其实这个值非

6、常大，只要是个散热片即可满足。 国产散热器厂家其实就是把铝型材做出来，然后把表面弄黑。热阻这种最基 本的参数他们恐怕从来就没有听说过。 如果只考虑散热功率芯片的输入输出电 压差 X 电流是芯片的功耗，这就是散热片的散热功率。 散热 3 热设计热设计 由于电源模块的转换效率不可能是 100%，因此自身有一定的功耗，电源模块本 身发热的高低，主要取决于电源模块的转换效率。在一定外壳散热条件下，电源 模块存在一定的温升(即壳温与环境温度的差异)。 电源模块外壳散热表面积的大 小直接影响温升。对于温升的粗略估计可以使用这样的公式：温升=热阻系数 模块功耗。热阻系数对于涂黑紫铜的外壳 P25XXX(用于

7、 SMP-1250 系列产品的外 壳)来说约为 3.76C/W。这里的温升和系数是在模块直立，并使下方悬空 1cm， 自然空气流动的情况下测试的。 对于温度较高的地方须将模块降额使用以减小模块的功耗，从而减小渐升，保证 外壳不超过极限值。 对于功率较大的模块，须加相应的散热器以使模块的温升得到下降。不同的散热 器在自然的条件下有不同的对环境的热阻， 主要影响散热器热阻的因素是散热器 的表面积。同时考虑到空气的对流，如果使用带有齿的散热器应考虑齿的方向尽 量不阻碍空气的自然对流，例如：当使用的模块输出功率为 100W，效率为 82% 时，满载时模块的功耗为：100/0.82-100=22W，选用

8、附件中 WS75(75W) 散热器， 其热阻为 1.9C/W,不考虑原外壳的横向散热,自然散热的温升为 1.922=42C。 包含热模型的新型 MOSFET PSPICE 模型 作者：Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano, Antonio Grimaldi 意法半导体公司 Stradale Primosole, 50 - 95121 - Catania, ITALY 电话：+39-095-7406447; 传真： +39-095-7406005; 电邮：Email: 摘要: 功率转换器的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，这种功率转换器的设计 摘要: 功

9、率转换器的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，这种功率转换器的设计 对现代大功率半导体技术提出了新的挑战。因而热问题的优化设计和验证变得比大功率器件对现代大功率半导体技术提出了新的挑战。因而热问题的优化设计和验证变得比大功率器件 的电模型更加重要，本文提出一种新的 Pspice 模型，可以利用它计算 MOSFET 芯片在瞬变过的电模型更加重要，本文提出一种新的 Pspice 模型，可以利用它计算 MOSFET 芯片在瞬变过 程中的温度。本文提出的模型中所需要的热阻可以从制造商提供的产品使用说明书得到。本程中的温度。本文提出的模型中所需要的热阻可以从制造商提供的产品使用说明书得到。本 文介绍

10、MOSFET 的一种新的 PSPICE 等效热模型， 这个模型提供发热和电气参数之间的动态关文介绍 MOSFET 的一种新的 PSPICE 等效热模型， 这个模型提供发热和电气参数之间的动态关 系。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如，栅极驱动电路、负载、以及散热系。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如，栅极驱动电路、负载、以及散热 器的分析与优化设计。可以利用这个模型来改善散热器的设计。由於决定功率损耗的参数参器的分析与优化设计。可以利用这个模型来改善散热器的设计。由於决定功率损耗的参数参 差不齐，与生产制造有关，受生产制造的影响很大，因而散热器的设计往往由於无法预先知差

11、不齐，与生产制造有关，受生产制造的影响很大，因而散热器的设计往往由於无法预先知 道功率损耗而无法进行。道功率损耗而无法进行。 1. 引言 散热器在计算时会出现误差，一般说来主要原因是很难精确地预先知道功率损耗，每只 器件的参数参差不齐，并不是一样的，而且在芯片上各处的温度也是不同的。结果是，安全 的裕度可能离开最优值很远。现在出现了很多功能很强的模拟仿真工具，因此有可能在预测 功率损耗和热设计的校核方面做一些改进。然而，为了确保长期可靠性，运用复杂的限流技 术可以更进一步地把最高结温（或者最大功率损耗）维持在一个预定的数值以下。 动态负载 变化所引 的任何热响应的改变都可以直接地进行测量，并且

12、用闭路控制的方法来修正。 2. 热阻 发散出去的功率 Pd 决定於导热性能，热量流动的面积以及温度梯度，如下式所示： Pd=K*AndT/dx (2.1) 式中 An 是垂直於热量流动方向的面积，K 是热导，而T是温度。可是这个公式并没有甚 麽用处，因为面积An 的数值我们并不知道。对於一只半导体器件，散发出去的功率可以用下 式表示： Pd=T/Rth (2.2) 以及 Rth = T/ Pd (2.3) 其中T 是从半导体结至外壳的温度增量，Pd 是功率损耗，而Rth 是稳态热阻。芯片温度 的升高可以用式(2.2) 所示的散热特性来确定。考虑到热阻与时间两者之间的关系，我们可 以得到下面的公

13、式： Zth(t)= Rth1-exp(-t/ ) (2.4) 其中(是所讨论器件的半导体结至外壳之间的散热时间常数， 我们也认为 “Pd“ 是在脉冲 出现期间的散发出去的功率。那麽，我们可以得到： T(t)=Pd Zth(t) (2.5) 如果 Pd 不是常数，那麽温度的瞬态平均值可以近似地用下式表示： T(t)=Pavg(t) Zth(t) (2.6) 其中Pavg(t) 是散发出去的平均功率。作这个假定是合情合理的，因为瞬态过程的延续 时间比散热时间常数短。由於一只MOSFET的散热时间常数为 100ms的数量级，所以一般这并 不成其为问题。热阻可以由产品使用说明书上得到，它一般是用“单

14、脉冲作用下的有效瞬态 过程的热阻曲线”来表示。 图 1 Zth(t) 瞬态热阻图 1 Zth(t) 瞬态热阻 3. SPICE 的实现 本文提出的模型使用一种不同的PSPICE 模拟量行为模型（ABM）建模技术。事实上，利 用这种建模方法，使用者可以用数学的方法建立模型，不必使用更多的资源。 可以看到，由SPICE内的MOSFET模型，并不能以温度结点的形式直接得到温度。然而，可 以用图 4 中所示的“窍门”来解决这个问题。 为了做到这点，把MOSFET M1 表示成为一个普通的 Level-3 MOS模型 加上一个电路。 晶 体管 M1 仅仅是“感知”温度，温度是指通用的SPICE变量“Te

15、mp”。为了评价温度对漏极电 流的影响（由M1 我们只能够确定在温度“Temp” 例如在 27 C时，电流随著漏极电压的变 化），增加了电路 G1 。这部份电路可以看成是电流受控制的电流产生器： Id(G1)=Id(M1) f(VGS,VDS,Tj,VTH,) (3.1) 在式(3.1)中的?数f的数学表达式可以从器件的输出特性通过内插法很容易得到。 它与M1 的模型有关，因而可以建立模拟量行为模型（ABM）。 4. 计算 Tj(t) 当大功率MOSFET工作在重复脉冲或者单脉冲的情况下，知道了平均功率损耗，然後将功 率损耗乘以热阻 Zth(t)，就可以得到模型的温度。在电路中，热阻 Zth(

16、t)的数值是用电压来 表示的，使用的符号为V(Zth(t)。参看模型G2，现们来计算M1 的瞬时功率损耗： Pd(t)=VDSG1(t) IDG1(t) (4.1) 其中 IDG1(t)=IdM1(t) f(VGS,VDS,Tj,Vth,) (4.2) 在式(4.1)中，Pd(t) 是“ELAPLACE”的输入量。 “ELAPLACE“ 起积分的作用，於是得到 消耗的能量 E(t)；由此可以得到平均功率损耗如下 Pave(tk)= E(tk)/tk (4.3) Pave(tk) 当然是与时间有关的，因为这个参数 是随著模拟仿真的进行而改变的。因此，平均功率损耗Pave(tk) 是变化的，它代表从模拟 仿真开始到时刻tk这段时间的功率损耗的平均值。热阻曲线Zth(t) 可以以不同方式纳入到这 个模型中。我们可以把单个脉冲响应用於Cauer