9.4 Разработка теплоотвода мощных схем



==623

Пришла пора познакомиться с тепловым расчётом - методом учёта тепла, создаваемого полупроводниковыми приборами, рассеиваемая мощность которых ( произведение тока на падение напряжения ) превышает десятые доли ватта. С теплом борются двумя способами: пассивным охлаждением - отводом тепла с помощью радиатора или металлических конструкций прибора и активным охлаждением - принудительным прокачиванием теплоносителя ( газа или жидкости ).

Проблема не уникальна для источников питания. Она характерна для усилителей, переключающих устройств и прочих тепловыделяющих компонентов: резисторов, выпрямителей, скоростных цифровых схем. Современные процессоры рассеивают многие десятки ватт и легко узнаваемы по крупным оребрённым радиаторам и вентиляторам.



==624

Упоминание линейных регуляторов сразу переводит разговор в область «силовой электроники», т.к. они изначально неэффективны: полный ток нагрузки течёт через проходной транзистор, вызывая падение напряжения на нём. Причём это падение должно быть достаточным, чтобы транзистор оставался в активном режиме. В том случае, когда питание подаётся с нерегулируемого источника ( рис. 9.25 ), падение напряжения должно составлять несколько вольт минимум [* чтобы учесть пульсации входного напряжения] , поэтому, если речь идёт о выходном токе величиной хотя бы ампер, рассеиваемая мощность составляет несколько ватт. Эти ватты надо отводить, и ниже рассказывается, как это делать.

9.4.1 Мощные транзисторы и отвод тепла

Все мощные устройства упаковывают в корпуса, которые обеспечивают контакт с теплоотводом. На нижнем конце спектра ( до ватта ) устройства могут охлаждаться за счёт отвода тепла через выводы корпуса, припаянные к печатной плате. По мере роста мощности в дело вступают корпуса со всё более массивным фланцами и выводами ( SOT-223, TO-252, TO-263, DPAK, DDPAK), а затем и более эффективные методы корпусирования, подобные технологии «DirectFET» ( см. рис. 9.46 ). Для тепловых потоков, превышающих 5W , корпуса обзаводятся монтажными отверстиями для крепления к радиатору ( TO-3, TO-220, TO-247 ). По-настоящему мощные полупроводниковые приборы производятся в корпусах, не предполагающих установку на печатной плате ( «MiniBLOC», «PowerTap», см. рис. 9.47 ). При хорошем теплоотводе такие конструкции могут рассеивать 100 W и более. Монтажные фланцы и металлические поверхности корпусов мощных полупроводников, исключая полностью изолированные варианты, электрически соединяются с каким-либо из сигнальных выводов ( у биполярных транзисторов это коллектор, а у МОП приборов - сток ).

Единственной задачей теплоотвода является поддержание температуры перехода транзистора или иного прибора ниже некоторой максимальной величины. Для кремниевых транзисторов в металлических корпусах данная величина составляет 200°C , а в пластиковых 150°C ³³ . Расчёт теплоотвода достаточно прост: если известна максимальная снимаемая с устройства мощность, можно подсчитать температуру перехода, используя данные по отводу тепла через корпус, теплоотвод и т.д. и температуру среды, в которую всё это будет помещено. Далее надо взять достаточно большой радиатор, чтобы удержать температуру перехода в заданных производителем границах. Правильнее будет не экономить на теплоотводе, потому что срок службы полупроводников быстро сокращается при работе вблизи допустимого максимума температуры. На рис. 9.42 показана приличная коллекция всевозможных радиаторов, которые можно встретить внутри мощных устройств.

Некоторые люди относятся к температурным расчётам достаточно беспечно и начинают беспокоиться о них, только когда мокрый палец начинает шипеть при контакте с корпусом компонента. Это неправильный метод. Правильнее делать всё как положено с самого начала.

9.4.1.A Тепловое сопротивление

Для проведения температурных расчётов используется тепловое сопротивление \(R_{\Theta}\) , которое определяется как нагрев ( в °C ), поделенный на отводимую мощность. Если перенос тепла происходит только за счёт теплопроводности, тепловое сопротивление является константой, не зависит от температуры и зависит исключительно от механических свойств области теплового контакта. При последовательном расположении нескольких таких контактов общее тепловое сопротивление вычисляется как сумма термосопротивлений на каждом переходе. Таким образом, для транзистора, поставленного на теплоотвод, общее тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде будет суммой сопротивления от перехода к корпусу \(R_{\Theta JC}\) , сопротивления от корпуса к теплоотводу \(R_{\Theta CS}\) и сопротивления от теплоотвода к среде \(R_{\Theta SA}\) . Таким образом, температура составит \[ T_J=T_A+( R_{\Theta JC}+R_{\Theta CS}+R_{\Theta SA})P \quad , \qquad [9.2] \] где \( P\) - мощность, которую нужно отвести.

Рассмотрим пример. Источник питания по схеме 9.25 имеет 8V нерегулируемого постоянного напряжения на входе. При полной нагрузке 1A регулятор LM317AT может рассеять 4.7 W ( 4.7 V@1A ). Предположим, что блок питания будет работать в среде с температурой 50°C . Это вполне реалистичная цифра для ситуации в закрытом корпусе. Попробуем удержать температуру перехода при 100°C , т.е. в достаточном удалении от максимума в 125°C .

Таким образом, допустимая разница температур от перехода к среде составляет 50°C . Значит, общее термосопротивление от перепада к среде не должно превышать \(R_{\Theta JA}=( T_J-T_A )P\)=10.6°C/W . В паспорте указано температурное сопротивление от перехода к корпусу \(R_{\Theta JC}\)=4°C/W , а корпус TO-220, поставленный на теплопроводную прокладку имеет тепловое сопротивление 0.5°C/W . Таким образом, получаем \(R_{\Theta JC}+R_{\Theta CS}\)=4.5°C/W. На тепловое сопротивление теплоотвод-среда остаётся \(R_{\Theta SA}=R_{\Theta JA}-R_{\Theta JC}-R_{\Theta CS}\) , т.е. \(R_{\Theta SA}\)=6.1°C/W . Быстрый поиск по базе DigiKey даёт массу вариантов. Можно взять, например, Wakefield 647-15ABP - оребрённый теплоотвод с вертикальным креплением к печатной плате и тепловым сопротивлением 6.1°C/W при естественной конвекции. Стоит порядка $2. При наличии обдува с интенсивностью 400LFM ( линейных футов в минуту ) подойдёт более компактный и дешёвый ( $0.35 ) 270-AB.



==625

Существует тест на перегрев для проверки достаточности теплоотвода: надо дотронуться до транзистора мокрым пальцем. Если раздаётся шипение, значит, транзистор нагрет слишком сильно! (Осторожнее с этим методом в высоковольтных схемах ). Более правильные метод измерения температуры:

1. контактная термопара или термистор ( такие датчики часто идут в комплекте с ручными мультиметрами );
2. специальные калиброванные восковые пробники, которые плавятся при определённой температуре ( например, Tempilstik® - набор восковых карандашей фирмы Tempil, Inc. );
3. инфракрасные бесконтактные датчики ³⁴ , например, Fluke 80T-IR, которые выдают 1 mV/°C или 1 mV/°F , работают от –18 до +260°C , имеют точность 3% ( или ±3°C , в зависимости от того, какая цифра больше ) и вставляются в любой цифровой мультиметр.

9.4.1.B Пояснения по теплоотводам

1. Если предполагается очень сильное тепловыделение, например сотни ватт, потребуется принудительный обдув. Большие теплоотводы проектируются под использование с вентиляторами и имеют температурное сопротивление от 0.05°C до 0.2°C на ватт.
2. Когда радиатор имеет столь высокую теплопроводность ( низкое термосопротивление \(R_{\Theta SA}\) ) , можно обнаружить, что максимальное тепловыделение ограничивается температурными параметрами самого транзистора, т.е. \(R_{\Theta JC}\) и \(R_{\Theta CS}\) . Проблема обострилась в последнее время с появлением всё более компактных полупроводниковых компонентов. Единственным решением является разделение тепловой мощности между несколькими транзисторами ( включёнными параллельно или последовательно ). При параллельном включении придётся позаботиться о выравнивании токов между ними, см. §2.4.4 и рис. 3.117A   [* и стр. 698 ( §9.13.5.B )] . Аналогично, при последовательном включении надо выравнивать рабочие напряжения между ступенями.



==626

3. На рис. 9.43 дана приблизительная зависимость физического объёма радиатора для заданного термосопротивления, построенная по цифрам из справочных данных по теплоотводам Wakefield Engineering. Зависимости даны для неподвижного воздуха ( естественной конвекции ) и двух скоростей обдува. Графики не стоит воспринимать буквально. Это просто обобщение данных с нескольких десятков популярных моделей. Возможно, их ошибка укладывается в двухкратный разброс, но доверять им не стоит ( по крайней мере, не стоит предъявлять потом претензии авторам! ).

4. Если требуется изолировать транзистор от теплоотвода, а требуется это практически всегда ( особенно если несколько приборов монтируются на единый радиатор ) используются тонкие изоляционные прокладки под транзистор и изоляционные шайбы и трубки для металлического крепежа. Прокладки продаются уже нарезанными в размер стандартных корпусов и делаются из слюды, оксидированного алюминия и полимерных плёнок. При использовании теплопроводящей смазки сопротивление изолятора составит примерно 0.5°C/W .

   Интересной альтернативой классическим слюдяным прокладкам со смазкой служат материалы на основе силикона, наполненные теплопроводящим компонентом - нитридом бора или окисью алюминия ( рис. 9.42 @Z ). Это чистые, сухие, удобные для использования детали, которые не пачкают руки и всё вокруг липкой белой дрянью. Такие штуки сильно экономят время, но имеют тепловое сопротивление 1...4°C/W для моделей под TO-220. Прокладки без электрической изоляции ( замена для смазки ) чуть лучше: от 0.1 до 0.5°C/W для TO-220. Фирма Bergquist называет свои изделия «Sil-Pad», фирма Chomerics – «Cho-Therm», а Thermalloy – «Thermasil». Авторы активно используют такие прокладки и любят их.

5. Существуют теплоотводы-клипсы для корпусов малосигнальных транзисторов ( рис. 9.42 @I-@L ). Для малых мощностей порядка одного-двух ватт их вполне достаточно, и, вдобавок, отсутствуют проблемы с монтажом транзистора на теплоотвод с последующим подключением к схеме [* или монтажа теплоотвода на плату] . Существуют варианты радиаторов даже для пластиковых корпусов, которые характерны для маломощных транзисторов и регуляторов напряжения. Такие теплоотводы ставятся между платой и корпусом компонента и очень удобны, когда речь идёт о нескольких ваттах тепла ( см. рис. 2.3 ). Если сверху есть пространство, то удобнее использовать вертикальные радиаторы с креплением на плату ( рис. 9.42 @A-@C, @N, @O, @T ): они занимают меньше места.

6. Мощные корпуса для поверхностного монтажа ( TO-223, DPAK, DDPAK) отводят тепло по фланцу, припаянному к слою фольги. Здесь можно говорить о нескольких ваттах, не десятках и не сотнях. Такие корпуса показаны на рис. 2.3 и 9.44. На рис. 9.45 приводится примерный график зависимости температурного сопротивления от площади фольги. Его надо рассматривать только в качестве грубой оценки, потому что общая эффективность зависит от множества факторов, как-то: расстояние до других источников тепла, число слоёв и их вид, ориентация платы и т.д.

7. Иногда бывает удобно поставить транзистор прямо на корпус изделия. В таких случаях будет правильнее вести расчёты с запасом, чтобы снизить нагрев узла, потому что горячий корпус будет подогревать и другие компоненты и сокращать их жизнь [* и не только внутри корпуса ] .
8. Если транзистор монтируется на радиатор без изоляции, изоляция потребуется уже самому радиатору. Авторы рекомендуют изолирующие шайбы ( например, Wakefield model 103 ), если, конечно, корпус транзистора не предполагается заземлять. Если транзистор изолирован, радиатор можно крепить непосредственно к корпусу, но надо смотреть на обстоятельства. Если радиатор смонтирован на внешней стенке прибора, и к корпусу транзистора можно прикоснуться снаружи, надо использовать изолирующие крышки ( Thermalloy 8903N, рис. 9.42 @Y ), дабы предотвратить возможное поражение электрическим током.



==627

9. Термосопротивление радиатора указывается при отводе тепла с вертикальной ориентацией рёбер и свободным пространством для движения воздуха. При ином способе монтажа или при наличии препятствий для движения воздуха эффективность радиатора снижается ( растёт температурное сопротивление ³⁵ ). Удобнее всего монтировать радиатор на задней стенке прибора, располагая рёбра вертикально.
10. Во второй редакции книги есть некоторая дополнительная информация: дополнительные сведения по теплоотводам см. рис. 6.6 ( стр. 315 ), а вентиляторы обсуждаются в Части 12 ( табл. 12.2 и рис. 12.17 на стр. 858 ).

Упражнение 9.7
LM317T ( в корпусе TO-220 ) с термосопротивлением переход-корпус \(R_{\Theta JC}\)=4°C/W установлен на радиатор Aavid Thermalloy 507222 с сопротивлением \(R_{\Theta SA}\)=18°C/W в неподвижном воздухе. Прокладка Bergquist SP400-0.007 имеет сопротивление \(R_{\Theta CS}\)=5°C/W. Максимальная допустимая температура перехода равна 125°C .
(a) Сколько тепловой мощности может рассеять такая конструкция при температуре внешней среды \( T_A\)=25°C .
(b) Насколько эта мощность должна снизиться при повышении температуры среды на 1°C ?

9.4.2 Область безопасной работы

Целью теплоотведения является удержание температуры перехода в установленных пределах с учётом имеющейся температуры среды и заданной максимальной выделяемой тепловой мощности. При этом, естественно, надо оставаться в рабочем диапазоне токов и напряжений. Все указанные условия можно представить графически в виде области безопасной работы ( SOA ) в пространстве напряжения и тока при некоторой температуре корпуса ( почему-то обычно указывается совершенно нереальная \( T_C\)=25°C ). Для МОП транзисторов график в логарифмических координатах напряжения и тока представляется простыми прямыми линиями максимального тока, максимального напряжения и максимальной рассеиваемой мощности ( при заданной \( T_C\) мощность определяется \(R_{\Theta JC}\) и \( T_{J(MAX)} \) ), см., например, рис. 3.95 .

К этой картинке есть две поправки.

9.4.2.A Вторичный пробой

Для биполярных транзисторов SOA дополнительно ограничивается явлением вторичного пробоя . Такое название носит процесс, который следует учитывать, проектируя мощные электронные схемы на биполярных транзисторах. Он обсуждается в §3.6.4.C , а графическое представление SOA показано на рис. 3.95 в виде дополнительного уменьшения допустимого тока коллектора при больших напряжениях. МОП транзисторы практически не подвержены явлению вторичного пробоя и чаще, чем биполярные, используются в качестве мощных регулирующих элементов ( исключение являются новые типы с малой геометрией, см. заметку по применению фирмы International Rectifier IR ##App Note IN-1155 ).



==628

9.4.2.B Термосопротивление в переходных режимах

Есть и хорошие новости: для коротких импульсов можно превышать ограничения по максимальной мощности в установившемся режиме, причём иногда очень заметно. Происходит это из-за того, что массив полупроводника сам по себе может поглотить [* перераспределить по объёму кристалла ] короткий импульс локального энерговыделения , ограничивая рост температуры, даже если мгновенная мощность превышает максимально допустимую. Это явление тоже видно на графике SOA ( рис. 3.95 ) в виде допустимой мощности рассеяния для импульсов длительностью 100 μs : в некоторых случаях она в 20 раз больше, чем постоянная мощность и достигает 3000 W против 150 W . Иногда это явление указывается в справочных данных в виде термосопротивления для переходного режима - графика зависимости \(R_{\Theta}\) от длительности импульса. Способность абсорбировать короткие импульсы мощности свойственна и другим полупроводниковым компонентам: диодам, тиристорам и подавителям переходных помех. См. §3.6.4.C и Часть X9 .



==628