笔记本电脑设计师、音频放大器制造商和电源制造商可以通过遵循这些自然对流和强制空气冷却的基本散热器设计方程来保持他们的产品更冷。
功率晶体管和模块、许多电源调节器组件以及大电流二极管产生的热量通常超过其自身质量所能安全地消散的热量。因此，电源设备必须安全地固定在合适的散热器上，以有效地增加其散热连接点的质量和表面积。散热器有各种各样的形状、大小、颜色和表面抛光，适用于半导体电路的特定和一般应用。
电源设备加热
功率半导体或模块产生的热量取决于其工作模式、偏置水平、信号幅度和应用信号的形状。例如，用于正弦波或复杂波的A类放大器，或用于调节直流电源的通晶体管和模块的功率晶体管产生的热量比方波振荡器、AB类放大器、B类方波放大器和PWM(脉宽调制)放大器多得多。例如，功率晶体管工作在方波时，集电极电压高电流低，饱和和截止期间电压低电流高。其结果是非常低的平均功耗。但是，无论哪种情况，这些设备都需要某种类型的散热片来帮助消散它们产生的内部能量。
热梯度和温差
必须散热的硅功率晶体管或大电流二极管允许的最大结温通常为150°C或稍高一些。如果产生热量的设备没有连接到更大的质量或表面积，在典型规格表中给出的结电流和电压量很难接近之前，设备将超过集电极结的最高温度。原因是设备规格表列出了它们的特性，该设备安装在一个相当大的散热器上，通常称为“无限”散热器。
所述发热装置周围空气的温度必须远远小于所述装置冷却所允许的最大结温。散热片试图将结温降低到周围介质的温度。如果散热器是完美的，晶体管结温度可以达到相同的低环境。然而，这在实践中是不可能的。从晶体管结到环境空气的热导率路径包含结和外壳、外壳和散热器(如果使用的话，通过绝缘体)以及散热器和环境之间的物理连接。这些连接不是完美的，因此会产生温差。它们是热阻，每个热阻都有一个唯一的系数。该系数表示为每瓦特耗散的温度摄氏度(°C/W)。由于这些电阻，在集电极结和环境之间总是出现温差。这个变量必须保持在最小值。
实际的温差取决于结耗散的功率。晶体管的平均功耗约为:Pd=Ic x Vce，其中Pd=恒流产生的功率损耗(瓦特);Ic =集电极电流;和Vce =集电极-发射极电压。
首先，研究单端a类放大器级的特性。本例中选用的晶体管在壳体温度为25°C时，集电极峰值电流为15 a，功耗为90 W。在外壳温度为100℃时，功耗从25℃线性降低到0瓦。参见图1。
晶体管的功耗规格通常额定为25°C，在100°C时降额为零。一个可靠的设计的变量必须在曲线下。
当A级放大器输出功率峰值为90 W时，在集电极到发射极为30 V时(偏压在负载线上的中点)，静止集电极电流约为1.5 A。由功率损耗方程可知，A类级产生45w (Pd = 30v × 1.5 A = 45w)，这种静止状态下两侧集电极电流与电压的乘积产生的功率损耗较小，因此45 W是需要考虑的最大功率损耗。下面使用这个值来计算所需的散热器。
散热器的特点
现在可以选择合适的散热器。随着设备功耗的增加，散热器的尺寸必须增加，以允许更多的表面积暴露在环境中。首先，考虑了散热器的材料和尺寸。材料的热导率应尽可能高。铜的导热性最好，铝紧随其后。铜和铝之间的成本差异超过了它们导热性的差异，因此铝散热器几乎是一个行业标准。铝向环境导热的能力以功率损耗的°C/W来衡量，这主要取决于它的表面积和光洁度。
首先，考虑一个1/8英寸的正方形明亮的铝。厚，表面积5英寸。2每边，垂直放置。根据实际测量，热阻约为9°C/W。参见图2。如果增加到10英寸。2时，热阻进一步减小，直到达到大约140英寸的实际极限。2散热器面积。在这里，自由空气中的热阻约为1.4°C/W，增加表面积并不会显著降低热阻。超过140英寸。2在这种情况下将被认为是一个无限散热片。铜垂直定位，1/8-in。厚，140英寸。2其热阻约为1.0°C/W，而铝的热阻为1.4°C/W。
热阻在40英寸时从没有散热片迅速下降到3.0°C/W。2and levels off to about 1.5 °C/W as the heat sink size reaches about 100 in.2 (infinite heat sink). Increasing it any further makes little difference.
市面上最常用的散热器是肋片挤压铝制散热器，如图3所示。它通常涂成扁平的黑色，带有安装半导体器件的裸露区域，或者可能是完全黑色的阳极氧化。它可以冲孔，以适应任何销或安装安排。这种基本形状的散热器对于强制空气和自然对流冷却是最理想的，因为在相对较小的体积内，大部分表面积暴露在周围的空气中。大约80年。2的辐射面可以包含在一个体积只有4.5 x 1.5 x 3英寸。这些相同的散热器可以被赋予一个锯齿状的表面，以增加更多的单位体积的可用表面积。此外，一些散热器采用“针栅阵列”和其他几何形状的特殊应用。
这是一种典型的散热器，可用于自然空气对流或强制空气冷却，形状和尺寸各异。制造商通常会提供这两种用途的规格。
现在，返回到散热的示例计算，并将要求匹配到合适的散热器。首先，将热电阻相加，再乘以半导体的功耗，再将结果与环境温度相加。这就产生了一个新的结温。如果刚刚计算的温度超过了降额曲线(图1)所示的设备最大允许温度，则必须改变计算中的一个或多个因素。例如，通过降低输入电压或电流，可以降低环境温度或降低功耗。此外，任何一个热电阻都可以降低，以达到相同的目的。
对于稳态的情况，这是等效于电路中的基尔霍夫定律的热电路。
如图4所示，确定器件结温的公式为:
Tj = Pd(Θjc + Θcs + Θsa) + Ta，和
Θja = Θjc + Θcs + Θsa
Tj = Pd (Θja) + Ta
地点:
Tj =结温，°C
Pd =功耗，W
Θjc =结热电阻，°C/W
Θcs =绝缘体热电阻，°C/W
Θsa =散热器热阻，°C/W
Θja =连接到环境，°C/W
Ta =环境温度，°C
之前计算的单端A类放大器耗散了45 W。选择最高环境温度50°C;晶体管热电阻Θjc为0.8°C/W;硅脂给Θcs的0.1°C/W;和一个商业散热器，如图4所示，Θsa为1.8°C/W。
现在来看看:
Tj = 45(0.8 + 0.1 + 1.8) + 50
Tj = 171.5°C
这不是一个令人满意的解决方案:在示例中只允许Tj为98.6°C，因此可以微调数字以将温度降低到一个更合理的水平。虽然这个温度低于晶体管所允许的最大温度，但降额图显示，在98°C时只允许2 W的损耗。晶体管必须比设计处理能力多耗散16w的能量，而且很快就会失效。将环境温度从50°C降低到30°C将产生78°C的Tj，降额曲线允许在此温度下超过18 W，因此这是一个令人满意的散热器，晶体管，环境温度的组合。但如果原50°C是必要参数，则降低所需输出功率;使用额外的输出级;选择不同的功率晶体管(其中Tj = 175至200°C最大值)或散热器(或使用强制空气冷却，如下所述)。
这是一个方便的图表，可以快速确定一个特定的散热器是否工作，而不需要太多的计算。
散热器规格
与制造的散热器一起提供的图形、图表和表格提供了关于如何有效使用它们的许多有用信息。图5所示的一个典型的图形表达了图3中散热器的热阻特性。从安装到环境空气的温度差直接读取°C，如图的纵轴所示。沿水平方向绘制了以瓦为单位的散热器的功率耗散能力。垂直安装的散热器的热系数约为2.2°C/W。晶体管可以用云母或其他绝缘体与散热器电隔离。但是，云母绝缘子的系数为0.8°C/W ~ 0.5°C/W，必须将其添加到散热器的热阻中。绝缘子两侧的硅脂可使电阻降低一半或0.4 ~ 0.25°C/W。在任何情况下，晶体管或模块应该安装在垂直安装的散热器的下缘附近，以获得最佳的散热效果。
一些制造商指出的另一个特殊特性是如图6所示的自然对流散热器的强制气流效应。纵坐标表示散热器热阻，横坐标表示CFM内的气流。如图所示，在气流只有16 CFM的情况下，散热器的热阻可以从1.7°C/W大幅降低到0.6°C/W以下。
当空间允许使用风扇或鼓风机时，少量的强制气流会对热阻产生很大的影响。
放大器级的解决方案是环境温度为30°C，但实际应用中环境温度太低。更现实的温度是最初提出的50°C。使用之前计算的18w，选择16 CFM的强制气流，散热器Θsa 0.6°C/W，和50°C的环境。将这些值代入方程求解Tj，结果为77°C。降额曲线显示在77°C允许25 W，因此强制空气确实是一个可行的选择。然而，这意味着每个晶体管或电源模块需要自己的散热片，其气流为16 CFM。在50°C的环境下，强制空气冷却使得电路-散热器组合成为可能。
你也可能喜欢:
了下:电子•电，电力供应
我买了一个mosfet 10n80，产生140度的热量，你能建议我选择铝系列的任何解决方案吗
散热器不仅用于半导体电路，还用于极端环境中使用的电子设备，在极端环境中，不仅环境温度会发生巨大变化，而且“收件箱”的温度也会发生巨大变化。这不仅适用于笔记本电脑或个人电脑，还适用于电子公路标志、人行横道信号、记分牌、空气质量监测器、有毒气体传感器、分析仪等。系统设计师、音频放大器制造商和电源制造商可以通过遵循自然对流和强制空气冷却的基本散热器设计方程来保持他们的产品更冷，通常依靠通过散热器和屏障通风的自然对流组合，在需要的时候，通过强制空气冷却也可以得到最好的服务。
就像散热器有各种各样的形状，大小，颜色和表面抛光，具体和一般的应用，疏水，微孔热塑性塑料可以帮助通过自然对流支付(和减少)热量-与散热器或强制空气冷却的成本的一小部分-同时保持灰尘，水或其他潜在的污染物远离敏感的电子产品。因此，通过更多地依赖屏障通风、散热器和强制空气冷却的各种组合，系统设计师通常可以为他们的雇主和客户节省数千美元的前期成本和系统寿命期间的运营成本。