Este caminho térmico melhorado reduz o aumento de temperatura na junção do dispositivo eletrónico. A publicação que se segue tem como objetivo fornecer uma introdução geral à seleção de dissipadores de calor, utilizando os dados térmicos da sua aplicação e as especificações do fornecedor do dissipador.
É necessário um dissipador de calor?
Para o resto deste artigo, vamos assumir que está a desenvolver uma aplicação que utiliza um transístor encapsulado num encapsulamento TO-220, que as perdas de comutação e de condução do transístor totalizam uma dissipação de potência de 2,78 W e que a temperatura ambiente de funcionamento dessa aplicação não deve exceder os 50 °C. Será necessário um dissipador de calor para este transístor?
Desenhos das vistas frontal e lateral de um encapsulamento típico TO-220 com dissipador de calor
O primeiro passo é reunir e compreender todas as impedâncias térmicas que impedem a dissipação dos 2,78 W para o ar ambiente. Se estes watts não puderem ser dissipados eficientemente, a temperatura da junção dentro do encapsulamento TO-220 aumentará para além das condições de funcionamento recomendadas (tipicamente 125 °C para o silício).
A maioria dos fabricantes de transístores documenta uma impedância térmica "junção-ambiente", denotada pelo símbolo RθJA, que é medida em unidades de °C/W. Este valor representa o quanto a temperatura da junção aumentará acima da temperatura ambiente em redor do encapsulamento TO-220 por cada watt de potência dissipado no interior do dispositivo.
Por exemplo, se o fornecedor do transístor afirmar que a impedância térmica junção-ambiente é de 62 °C/W, isto significa que os 2,78 W dissipados no interior do encapsulamento TO-220 farão com que a temperatura da junção aumente 172 °C acima da temperatura ambiente (calculado como 2,78 W x 62 °C/W). Considerando que a temperatura ambiente mais desfavorável para esta aplicação é de 50 °C, a temperatura da junção atingirá os 222 °C (calculada como 50 °C + 172 °C). Isto excede em muito a temperatura nominal do silício, que é de 125 °C, e danificará permanentemente o transístor. Portanto, é necessário um dissipador de calor. A instalação de um dissipador de calor irá reduzir significativamente a impedância térmica entre a junção e o meio exterior. O passo seguinte é determinar qual a impedância térmica mínima necessária para um funcionamento seguro e fiável.
Determinação dos Caminhos de Impedância Térmica:
Para tal, comece com o maior aumento de temperatura permitido. Se a temperatura ambiente máxima de funcionamento da aplicação for de 50 °C e a junção de silício necessitar de permanecer a 125 °C ou menos, o maior aumento de temperatura permitido será de 75 °C (calculado como 125 °C - 50 °C).
De seguida, calcule a impedância térmica máxima permitida entre a junção e o ar ambiente. Se o aumento máximo de temperatura permitido for de 75 °C e a potência dissipada no encapsulamento TO-220 for de 2,78 W, a impedância térmica máxima permitida será de 27 °C/W (calculada como 75 °C ÷ 2,78 W).
Por fim, some todos os caminhos de impedância térmica desde a junção de silício até ao ar ambiente e certifique-se de que a soma é inferior à impedância térmica máxima permitida, que neste exemplo é de 27 °C/W.
Ilustração gráfica das impedâncias térmicas que devem ser calculadas e somadas entre a junção e o ar ambiente numa aplicação típica de TO-220
Na figura acima, a primeira impedância térmica necessária é a impedância "junção-carcaça", representada pelo símbolo Rθ JC. Esta medida indica a facilidade com que o calor pode ser transferido da junção, onde é gerado, para a superfície (carcaça) do dispositivo (TO-220 neste exemplo). A maioria dos fornecedores lista esta impedância nas suas folhas de dados, juntamente com a medição da impedância junção-ambiente. Para este exemplo, a impedância térmica entre a junção e a carcaça é considerada de 0,5 °C/W.
A segunda impedância térmica necessária é a impedância "carcaça-dissipador de calor", representada pelo símbolo RθCS. Esta medida indica a facilidade com que o calor pode ser transferido da superfície do dispositivo (carcaça) para a superfície do dissipador de calor. Devido às irregularidades nas superfícies da caixa TO-220 e da base do dissipador de calor, é geralmente recomendado a utilização de um material de interface térmica (TIM ou "pasta térmica") entre as duas superfícies para garantir o acoplamento térmico completo. Isto melhora significativamente a transferência de calor da carcaça TO-220 para o dissipador de calor, mas tem uma impedância térmica associada que deve ser considerada.
Desenho ampliado da superfície que mostra a necessidade de um material de interface térmica (TIM).
Considerações sobre os materiais de interface térmica:
Os materiais de interface térmica (TIMs) são tipicamente caracterizados pela sua condutividade térmica em watts por metro-Celsius (W/(m °C)) ou watts por metro-Kelvin (W/(m K)). Celsius e Kelvin são intercambiáveis neste exemplo porque ambos utilizam o mesmo incremento de medição de temperatura, e o que está a ser calculado é o aumento ou a diminuição da temperatura (por exemplo, um aumento de 45 °C na temperatura é equivalente a um aumento de 45 K na temperatura). A unidade de metro está presente porque a impedância do TIM depende da relação entre a espessura (a espessura do material TIM em metros) e a área (a área sobre a qual o TIM se estende em metros quadrados), resultando em 1/m (calculado como m/m² = 1/m). Discutimos os TIMs com mais detalhe no nosso post de blog, A Importância dos Materiais de Interface Térmica.
Neste exemplo, será aplicada uma fina camada de TIM na zona da lingueta metálica de um encapsulamento TO-220. As propriedades específicas do TIM e os detalhes da aplicação utilizados neste exemplo são os seguintes:
Condutividade térmica do TIM (K): 0,79 W/(m °C) = 0,79 W/(m K)
Área de aplicação do TIM: 112 mm² = 0,000112 m²de aplicação
do TIM: 0,04 mm = 0,00004 mm
A impedância térmica do TIM pode ser calculada a partir das propriedades indicadas acima, utilizando a seguinte equação (note-se a utilização de metros para manter a consistência das unidades):
RθCS = (Espessura / Área) x (1 / Condutividade)
RθCS = (0,00004 / 0,000112) x (1 / 0,79)
RθCS = 0,45 °C/W ou 0,45 kW/W
Seleção do dissipador de calor:
A impedância térmica final necessária é a "dissipação de calor para o meio ambiente", representada pelo símbolo Rθ SA. Esta medida indica a facilidade com que o calor é transferido da base do dissipador para o ar ambiente. Os fornecedores de dissipadores de calor, como a Same Sky, fornecem frequentemente gráficos como o que se mostra abaixo ou pontos de dados para ilustrar a facilidade com que o calor é transferido do dissipador para o ar ambiente sob diversas condições de fluxo de ar e carga.
Gráfico que mostra o aumento típico da temperatura da superfície de montagem do dissipador de calor acima da temperatura ambiente
Neste exemplo, assume-se que a aplicação opera em condições de convecção natural, sem fluxo de ar. O gráfico acima pode ser utilizado para calcular a impedância térmica final (do dissipador de calor ao ambiente) para este dissipador específico. O aumento da temperatura da superfície acima da temperatura ambiente, dividido pelo calor dissipado, fornece a impedância térmica nesta condição de funcionamento específica. Neste exemplo, o calor dissipado é de 2,78 W, resultando num aumento da temperatura da superfície acima da temperatura ambiente de 53 °C. Dividindo 53 °C por 2,78 W, obtém-se uma impedância térmica do dissipador de calor ao ambiente de 19,1 °C/W (calculada como 53 °C ÷ 2,78 W).
Em cálculos anteriores, a impedância máxima permitida entre a junção e o ar ambiente era de 27 °C/W. Subtraindo a impedância da junção à carcaça (0,5 °C/W) e a impedância da carcaça ao dissipador de calor (0,45 °C/W), a margem máxima restante para o dissipador de calor é de 26,05 °C/W (calculada como 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W). A impedância térmica de 19,1 °C/W para este dissipador de calor, nas condições assumidas, está muito abaixo da margem calculada anteriormente de 26,05 °C/W. Isto resulta numa temperatura de junção de silício mais baixa dentro do encapsulamento TO-220 e numa maior margem térmica no projeto. A temperatura máxima da junção pode ser estimada somando todas as impedâncias térmicas, multiplicando-as pelo número de watts dissipados na junção e adicionando o resultado à temperatura ambiente máxima:
Temperatura estimada da junção = Temperatura ambiente + Watts x (RθJ-C + RθCS + RθSA)
Temperatura estimada da junção = 50 + 2,78 x (0,5 + 0,45 + 19,1)
Temperatura estimada da junção = 105,7 °C
A importância dos dissipadores de calor:
Os dissipadores de calor são um elemento importante na gestão térmica, como demonstrado neste exemplo. Sem o dissipador de calor, a junção de silício no interior do encapsulamento TO-220 teria ultrapassado largamente o limite nominal de 125 °C. O processo utilizado neste exemplo pode ser facilmente modificado e repetido para auxiliar os projetistas na seleção de dissipadores de calor com o tamanho adequado para uma grande variedade de aplicações.
Conclusões:
Os dissipadores de calor são um elemento importante no projeto de circuitos, pois proporcionam um caminho eficiente para a transferência de calor para o ar ambiente, afastando-o dos dispositivos eletrónicos.
A definição da temperatura ambiente máxima e da potência dissipada na aplicação ajudará a otimizar a seleção do dissipador de calor, que não deve ser demasiado pequeno para evitar o sobreaquecimento nem demasiado grande para evitar o desperdício de recursos.
Os materiais de interface térmica (TIMs) desempenham um papel importante na transferência de calor de forma mais eficiente e consistente entre duas superfícies.
Uma vez definidos os parâmetros da aplicação (por exemplo, temperatura ambiente, dissipação de potência, caminhos de impedância térmica, etc.), os filtros de pesquisa de produtos da Same Sky podem ajudar a encontrar o dissipador de calor ideal para cada aplicação, seja para placa de circuito impresso ou BGA.
Autor: Por Ryan Smoot, Same Sky
