采用TO-220封裝的晶體管需要散熱器嗎？

散熱器非常重要！作為電路設(shè)計的一個重要方面，散熱器提供了一種有效的途徑，將熱量從電子器件（如 BJT、MOSFET 和線性穩(wěn)壓器）傳遞出去并散發(fā)到周圍空氣中。

散熱器的作用是在發(fā)熱器件上形成更大的表面積，從而更有效地將熱量傳遞出來并散發(fā)到周圍環(huán)境中。器件散熱路徑經(jīng)過改善后可以降低元件接合處的任何溫升。

本文旨在利用器件應(yīng)用中的熱數(shù)據(jù)并結(jié)合散熱器供應(yīng)商提供的規(guī)格，對散熱器的選擇問題進(jìn)行深入探討。

需要散熱器嗎？

對于本文而言，我們假設(shè)所討論的應(yīng)用中有一個采用 TO-220 封裝的晶體管，其中導(dǎo)通和開關(guān)損耗等于 2.78 W 功耗。此外，環(huán)境工作溫度不會超過 50°C。這個晶體管需要散熱器嗎？

圖 1：配備散熱器的典型 TO-220 封裝的正視圖和側(cè)視圖（圖片來源：CUI Inc）

首先，必須找出并理解可能阻止 2.78 W 熱量耗散到周圍空氣中的所有熱阻的特征。如果不能有效地分散這些特征，TO-220 封裝內(nèi)的結(jié)溫將超過建議的工作要求，具體對硅而言，通常為 125°C。

一般而言，晶體管供應(yīng)商會記錄所有結(jié)環(huán)熱阻，并用符號 Rθ J-A?表示，計量單位為 °C/W。該單位表示，器件內(nèi)每消耗一個功率單位（瓦），預(yù)計結(jié)溫將會升高到 TO-220 封裝周圍環(huán)境溫度以上的溫度值。

舉例說明，當(dāng)晶體管供應(yīng)商記錄的結(jié)環(huán)熱阻為 62°C/W 時，TO-220 封裝內(nèi)的 2.78 W 功耗將使結(jié)溫升高到高于環(huán)境溫度 172°C 以上，計算方法：2.78 W x 62°C/W。如果假設(shè)該器件的最壞環(huán)境溫度為 50°C，則結(jié)溫將達(dá)到 222°C，計算方法：50°C + 172°C。由于這種情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅的額定溫度 125°C，因此很可能對晶體管造成永久性損壞。由此可見，絕對有必要安裝散熱器。

如果針對此應(yīng)用安裝散熱器，則會顯著降低結(jié)環(huán)熱阻。下一步，確定需要多低的熱阻通路才能確保操作安全可靠。

確定熱阻路徑

為確定熱阻路徑，首先需要確定最大容許溫升。如果器件的最高環(huán)境工作溫度為 50°C，并且我們已經(jīng)確定硅結(jié)需要保持在 125°C 或更低，則最高允許溫升為 75°C，計算方法：125°C - 50°C。

下一步，計算硅結(jié)本身與周圍空氣之間的最大容許熱阻。如果最高允許溫升為 75°C，并且 TO-220 封裝內(nèi)的功耗測量值為 2.78 W，則最大允許熱阻為 27°C/W，計算方法：75°C ÷ 2.78 W。

最后，計算出從硅結(jié)到周圍空氣的所有熱阻通路，并確認(rèn)它們的總和小于上文計算出的最大允許熱阻 27°C/W。

圖 2：典型 TO-220 應(yīng)用中應(yīng)在結(jié)點(diǎn)與周圍空氣之間計算和添加的熱阻圖示。（圖片來源：CUI, Inc.）

從圖 2 可以看出，需要考慮的第一個熱阻是“結(jié)殼”熱阻，用符號 Rθ J-C?表示。該圖顯示了熱量從產(chǎn)生熱量的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到器件表面的容易程度（本示例以 TO-220 作為示范）。一般情況下，供應(yīng)商的規(guī)格書會列出該熱阻以及結(jié)環(huán)熱阻值。此處假設(shè)的結(jié)殼熱阻額定值為 0.5°C/W。

需要考慮的第二個熱阻是“外殼至散熱器”熱阻，用符號 Rθ C-S?表示，該熱阻值用于衡量熱量從器件外殼傳遞到散熱器表面的容易程度。由于兩個表面有時會出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，因此通常建議在 TO-220 外殼表面及散熱器底座表面之間涂抹導(dǎo)熱界面材料（TIM 或“導(dǎo)熱膏”），從而在熱學(xué)的角度確保兩個表面完全接合。涂抹 TIM 會顯著改善 TO-220 表面到散熱器之間的熱傳遞，但必須考慮其相關(guān)的熱阻。

圖 3：說明需要導(dǎo)熱界面材料 (TIM) 的表面對表面放大示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

導(dǎo)熱界面材料說明

一般而言，TIM 的特征取決于它們的導(dǎo)熱率，計量單位為“瓦/米-攝氏度 (W/(m °C))”或“瓦/米-開爾文 (W/(m K))”。在本示例中，攝氏度和開爾文單位可以互換，因為在計算溫升和溫降時，它們使用的是相同的溫度計量增量；例如，45°C 溫升與 45 K 溫升相同。

由于 TIM 的熱阻依賴于其厚度（TIM 的厚度單位為米）與所覆蓋的整個區(qū)域面積（TIM 覆蓋的面積單位為 m2）之比，因此包括了單位米，并得出 1/m 的結(jié)果（計算方法：m/m2?= 1/m）。在此示例中，TO-220 外殼表面的金屬片區(qū)域涂抹了一層薄薄的 TIM，其特定屬性和涂抹細(xì)節(jié)如下：

使用上面列出的屬性，可以根據(jù)以下公式計算出 TIM 的熱阻（為保持一致性，用米作為單位）：

選擇散熱器

需要考慮的最后一個熱阻是“散熱器到環(huán)境”熱阻，由符號 Rθ S-A?表示。該熱阻值的計算可以揭示熱量從散熱器底座轉(zhuǎn)移到周圍周圍空氣中的容易程度。電子元器件制造商 CUI 是一家散熱器供應(yīng)商，提供了像圖 4 所示的圖形，展示了通過不同的氣流負(fù)荷和條件，熱量可以輕易地從散熱器轉(zhuǎn)移到周圍空氣中。

圖 4：展示典型散熱器安裝表面高于環(huán)境溫度溫升的圖形（圖片來源：CUI Inc.）

在此示例中，假設(shè)器件在自然對流且沒有任何氣流的條件下工作。該圖可用于計算此特定散熱器的最終熱阻，即散熱器到環(huán)境熱阻。用表面高于環(huán)境溫度的溫升量除以散熱量，可以得出該特定工作條件下的熱阻。此處耗散的熱量為 2.78 W，導(dǎo)致表面高于環(huán)境溫度的溫升為 53°C。用 53°C 除以 2.78 W 可以得出散熱器到環(huán)境的熱阻值為 19.1°C/W。

在之前的計算中，結(jié)點(diǎn)與周圍空氣之間的最大允許熱阻為 27°C/W。減去結(jié)殼熱阻 (0.5°C/W) 以及外殼至散熱器的熱阻 (0.45°C/W)，即可得出散熱器的最大允許熱阻，計算結(jié)果為 26.05°C/W，計算方法為：27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W。

就本示例而言，在這些假設(shè)條件下，該散熱器 19.1°C/W 的熱阻遠(yuǎn)低于先前計算的允許值 26.05°C/W。如此意味著 TO-220 封裝內(nèi)部的硅結(jié)溫溫度更低，設(shè)計熱裕量更寬。此外，通過將所有熱阻相加，然后乘以結(jié)點(diǎn)處耗散的瓦特數(shù)，最后將結(jié)果加到最高環(huán)境溫度，可以得出結(jié)點(diǎn)最高溫度的近似值，如下所示：

此處展示的示例揭示了散熱器在應(yīng)用熱管理中的重要性。如果不安裝散熱器，TO-220 封裝內(nèi)的硅結(jié)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 125°C 的設(shè)計額定限值。只需修改并重復(fù)此處使用的流程，即可幫助設(shè)計人員為各種不同的應(yīng)用選擇尺寸合適的散熱器。

總結(jié)

散熱器在電路設(shè)計中扮演著重要的角色，因為它們提供了一個有效的通路，將熱量傳遞到周圍空氣中，并使之遠(yuǎn)離電子器件。通過確定周圍環(huán)境的最高溫度以及器件內(nèi)的功耗，可以優(yōu)化散熱器的選擇；散熱器既不能太小，導(dǎo)致器件燒毀，也不能太大，導(dǎo)致成本浪費(fèi)。此外，還應(yīng)考慮?TIM?在兩個表面之間高效一致地傳遞熱量所起的重要作用。

最后，確定了應(yīng)用的參數(shù)（環(huán)境溫度、功耗和熱阻路徑）之后，查看?CUI 的板級散熱器產(chǎn)品組合，即可確定適合項目冷卻需求的正確型號。