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安全使用三端穩(wěn)壓器必備的散熱基礎(chǔ)知識(shí)

作者: 時(shí)間:2023-06-05 來(lái)源:ROHM 收藏

三端是一種可以用來(lái)對(duì)電源進(jìn)行降壓的簡(jiǎn)單電子器件。由于降壓部分直接因發(fā)熱而成為熱損耗,因此在從很高的電壓降壓時(shí)或在大電流條件下使用時(shí),需要安裝合適的器。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202306/447321.htm

研究發(fā)現(xiàn),溫度每升高2℃,電子元器件的不良率就會(huì)增加10%,因此,適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/散熱">散熱設(shè)計(jì)對(duì)于提高電子元器件的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命而言至關(guān)重要。

1 三端的最大電流取決于溫度

三端有多種類型,其最大輸出電流涵蓋0.5A到2A的范圍。但是,在最大電流條件下使用時(shí),需要配備合適的器。

在三端穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書(shū)中,列出了單獨(dú)使用IC時(shí)和帶散熱器使用IC時(shí)的兩種容許功耗。

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的三端穩(wěn)壓器BA17805CP的技術(shù)規(guī)格書(shū)。針對(duì)沒(méi)有散熱器的IC單體,容許功耗被限制在2W。

三端穩(wěn)壓器的輸出能力在很大程度上取決于散熱器的性能。實(shí)際上,說(shuō)到使用散熱器,可能很多人都會(huì)有一些困惑,比如“需要多大的散熱器?”、“怎樣測(cè)量溫度才好?”等不同于電子作品制作的問(wèn)題。

在本文中,我們將以三端穩(wěn)壓器為例,為您介紹電子元器件溫度測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)和熱設(shè)計(jì)的思路。

2 確認(rèn)無(wú)散熱器的三端穩(wěn)壓器的實(shí)力

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這次使用的是的三端穩(wěn)壓器BA17805CP。雖然是一款最大輸出電流為1A的三端穩(wěn)壓器,但其IC單體的容許損耗卻高達(dá)2W。

在介紹熱設(shè)計(jì)之前,讓我們先了解一下在沒(méi)有散熱器的狀態(tài)下運(yùn)行三端穩(wěn)壓器并測(cè)量電子器件溫度的方法。

這次我們將使用輸出電壓為5V的三端穩(wěn)壓器“BA17805CP”。

在這款三端穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書(shū)中,列出了“無(wú)散熱器狀態(tài)下的容許功耗為2W”。在這里我們要進(jìn)行從12V降壓到5V的降壓工作,所以最大電流的計(jì)算值可以通過(guò)下列公式獲得:

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考慮到高達(dá)2W的三端穩(wěn)壓器損耗,得出的結(jié)論是可以承受約為0.29A的最大電流。

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用粘合劑將熱電偶固定在三端穩(wěn)壓器的封裝表面。建議使用固化劑或AB環(huán)氧膠,這樣可以固定得更牢固。

我們使用熱電偶測(cè)量三端穩(wěn)壓器的溫度。還有一些支持使用熱電偶測(cè)量溫度的測(cè)試儀,利用這類測(cè)試儀也可以輕松地高精度測(cè)量溫度。

這次我們將重點(diǎn)介紹普遍適用的基本測(cè)量方法,如果您想以更高精度測(cè)量電子元器件的溫度,建議您參考這里的應(yīng)用指南(→使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)的注意事項(xiàng)|ROHM)

做好準(zhǔn)備后,在連接了能使三端穩(wěn)壓器的損耗達(dá)到2W的負(fù)載的狀態(tài)下,觀察溫度上升情況。

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(左)電流測(cè)量值,(中)封裝表面溫度,(右)被測(cè)量的三端穩(wěn)壓器

給三端穩(wěn)壓器施加了稍高的負(fù)載,使損耗達(dá)到2.1W,略微超過(guò)了額定值。由于連接的熱電偶會(huì)散發(fā)一些熱量,所以可以認(rèn)為情況會(huì)比計(jì)算值要好。

我們?cè)黾与娏髦钡紹A17805CP的過(guò)熱保護(hù)功能要啟動(dòng)卻尚未啟動(dòng)的程度,最終輸出電流達(dá)到0.31A。

此時(shí)的表面溫度約為119℃。如果負(fù)載進(jìn)一步增加,輸出將在幾分鐘之內(nèi)被過(guò)熱保護(hù)電路關(guān)斷。至于容許損耗,其結(jié)果與技術(shù)規(guī)格書(shū)中的值幾乎相同。

3 通過(guò)計(jì)算求出結(jié)溫

前面介紹了使用熱電偶測(cè)量溫度的方法,但需要注意的是,這里測(cè)量的溫度是封裝的表面溫度。

技術(shù)規(guī)格書(shū)中給出的IC的最大額定工作溫度是IC封裝的內(nèi)部溫度,被稱為“結(jié)溫(TJ)”,并不是封裝的表面溫度。所以僅僅測(cè)量封裝的溫度并不能掌握結(jié)溫。

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根據(jù)封裝表面溫度計(jì)算結(jié)溫時(shí),需要使用含有熱特性參數(shù)ΨJT(與使用無(wú)限大散熱器時(shí)的熱阻θJC同義)的計(jì)算公式。

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根據(jù)測(cè)量得到的封裝表面溫度值、技術(shù)規(guī)格書(shū)中給出的θJC和功耗值,可以計(jì)算出結(jié)溫如下:

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結(jié)溫為131℃,看起來(lái)距離IC的最大額定工作溫度150℃仍有余量,但如果再繼續(xù)增加電流,輸出就會(huì)因過(guò)熱而被關(guān)斷。

這是由于測(cè)量誤差造成的,通常認(rèn)為受引線和熱電偶布線的影響,會(huì)使測(cè)得的封裝表面溫度低于實(shí)際的表面溫度。

4 如何找到可以輸出1A的散熱器

我們看到使用三端穩(wěn)壓器單體時(shí),只能輸出最高0.3A的電流,現(xiàn)在,我們安裝散熱器讓輸出達(dá)到1A。在這里介紹一下如何根據(jù)計(jì)算選擇散熱器。

要想選擇最佳的散熱器,通常會(huì)使用一種稱為“散熱等效電路”的手法。

散熱等效電路是一種通過(guò)將與熱相關(guān)的各元素視為電子元器件,來(lái)計(jì)算IC的發(fā)熱量和求出熱阻的方法。在散熱等效電路中,各發(fā)熱元素會(huì)如下替換并考量:

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熱源   → 功率(功率損耗)

各點(diǎn)的溫度 → 電壓

熱阻   → 電阻

在這個(gè)散熱等效電路中,以下公式成立:

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這次求的是表示散熱器熱阻的θHA。在這里,我們將公式變形以使其更易于計(jì)算。其余各值均可從產(chǎn)品目錄和技術(shù)規(guī)格書(shū)中獲取,通過(guò)輸入這些必要條件即可計(jì)算出θHA。

溫度設(shè)置:最高結(jié)溫TJ為150℃,室溫TA為25℃。因?yàn)閺?2V降壓至5V時(shí)最大輸出為1A,所以功耗P為7W。

結(jié)和外殼之間的熱阻θJC在三端穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書(shū)中已經(jīng)提供,因此我們將直接使用這個(gè)值。本次使用的BA17805CP的θJC為5.7[℃/W]。

表示接觸熱阻的θCH,使用將導(dǎo)熱硅脂或散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)λ轉(zhuǎn)換為熱阻值的公式。其轉(zhuǎn)換公式如下:

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在這里,導(dǎo)熱硅脂使用的是Sunhayato生產(chǎn)的導(dǎo)熱硅脂SCH-20(導(dǎo)熱系數(shù):0.84W/m?k)。在TO220CP-3封裝上使用這種硅脂時(shí),熱阻值為0.79℃/W(厚度0.1mm時(shí))。

將這些值代入前面的θHA公式中得到以下結(jié)果:

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從這個(gè)結(jié)果中,我們可以看出如果使用熱阻為11.36[℃/W]以下的散熱器,就可以輸出1A。

秋月電子銷(xiāo)售的GLOBAL ELECTRONICS公司生產(chǎn)的17PB046 01025的熱阻為11.98[℃/W],正好是接近該熱阻值的散熱器。雖然這款散熱器與要求的熱阻不是完全吻合,但是它很容易買(mǎi)到,所以我們用這款散熱器試試能否實(shí)現(xiàn)1A輸出。

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(左)GLOBAL ELECTRONICS生產(chǎn)的散熱器17PB046 01025和(右)Sunhayato生產(chǎn)的導(dǎo)熱硅膠SCH-20。兩者都可以在電子元器件商店或網(wǎng)上買(mǎi)到。

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將三端穩(wěn)壓器用螺釘固定在散熱器上。在自然空冷條件下,熱阻會(huì)隨著散熱器的放置方式而變化。

將三端穩(wěn)壓器固定在散熱器上之后,調(diào)整負(fù)載并增加電流,直到過(guò)熱保護(hù)電路要啟動(dòng)卻尚未啟動(dòng)的程度。

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我們看到以0.96A的電流讓三端穩(wěn)壓器開(kāi)始運(yùn)行了。該結(jié)果與計(jì)算得出的該散熱器支持的最大輸出電流0.95A幾乎相同。

在連接散熱器的狀態(tài)下測(cè)量三端穩(wěn)壓器的封裝表面溫度時(shí),實(shí)測(cè)值為108℃。將該測(cè)量結(jié)果和三端穩(wěn)壓器的損耗(6.7W)代入前面的結(jié)溫計(jì)算公式,得出以下結(jié)果:

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您可以看到,三端穩(wěn)壓器在接近額定工作溫度的條件下工作。在這種狀態(tài)下如果稍微增加一點(diǎn)負(fù)載,輸出將在幾分鐘內(nèi)被關(guān)斷。

如上所述,進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí),可以按照這類方法來(lái)選擇與三端穩(wěn)壓器的能力相匹配的最佳散熱器。

5 如何穩(wěn)定輸出1A

前面我們介紹了使三端穩(wěn)壓器輸出達(dá)到1A的方法,但這是在最高結(jié)溫150℃和環(huán)境溫度25℃的條件下計(jì)算得出的,只要溫度略有變化,就可能立即超出額定值。

為了能夠?qū)⑵鋵?shí)際裝入到電路中,必須在結(jié)溫和環(huán)境溫度有余量的條件下進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

例如,從12V降壓到5V、輸出1A的三端穩(wěn)壓器,在結(jié)溫120℃、環(huán)境溫度60℃的條件下計(jì)算時(shí),要求散熱器的熱阻是θHA=2.08[℃/W]以下。

如果使用鋁擠壓成型的散熱器(自然空冷)滿足這個(gè)熱阻要求的話,需要重量接近300克的產(chǎn)品。

只要您掌握了上述熱設(shè)計(jì)要點(diǎn),不用實(shí)際組裝電路并實(shí)測(cè)溫度,也能正確選擇所需的散熱器。

6 散熱設(shè)計(jì)是電源電路的基礎(chǔ),也不能忘了實(shí)測(cè)

本文重點(diǎn)介紹了三端穩(wěn)壓器的發(fā)熱情況和熱計(jì)算,其中,使用散熱等效電路進(jìn)行熱設(shè)計(jì)是一種也適用于其他電子元器件的方便方法。

不考慮電子元器件的發(fā)熱就制作電子電路的話,會(huì)給安裝散熱器的空間和元器件放置造成障礙,最終還會(huì)導(dǎo)致故障或成本增加。

這里介紹的熱設(shè)計(jì)和溫度測(cè)量是很簡(jiǎn)單的方法,如果要進(jìn)行更高精度的溫度測(cè)量,還需要進(jìn)一步的知識(shí)和技巧。不過(guò),僅憑本文介紹的方法,也可以有效管理電子元器件的發(fā)熱了。

進(jìn)行熱設(shè)計(jì)還有一些先進(jìn)的計(jì)算工具,但不管怎樣實(shí)測(cè)驗(yàn)證是必不可少的。特別是在近年來(lái)的產(chǎn)品中,功率晶體管、功率IC等發(fā)熱元器件的種類增多,發(fā)熱密度也越來(lái)越大。歡迎大家參考這篇文章,積極解決發(fā)熱問(wèn)題。



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