硬件设计-热量管理

shuszhao

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。

cdpi5

    

h09721

a1287738527

  

h09721

h09721

529885

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