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热分析探讨

2009年11月21日 14:07 www.elecfans.com 作者:佚名 用户评论(0

热分析探讨

首先提一下热分析的概念哈,我们可以用各种手段完成,包括仿真软件,手算,实际测试等等,器件发热会导致很多问题:
1.半导体损耗 : 通常,急剧上升的温度可能容易导致超过器件使用范围。
2.过大温差引起的机械应力:导致脆弱的结构部分受力过大(焊点),和早期失效。    
3.寿命降低 : 随着每10 °C温度的升高,机械失效的概率将成倍增加。

我们一定要把下面这个图搞搞清楚,我们一般可以很多器件都会标明junction温度,这个实际上是器件的极限温度,如果我们把器件设计在这个温度下长期工作,我想这样的设计会让人崩溃的。
呵呵,我们一般都会加一个余量,这个余量根据我们认知的不同可大可小,一般呢根据经验取20%~40%不等。
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由于历史原因,对分立器件的“结温”实质上是PN交界处结温度(整流二极管,双极晶体管),普遍的来说,元器件的结温指的是在设备最热的地方(硅片)。
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结温受以下几个方面的影响:
元器件本身的功耗,元器件所处的环境温度,元器件的“应用”环境,元器件的封装。

发生传热的途径一般通过三种途径:1.传导 2.辐射 3.对流
传导是通过材料的传热,从最热的地方传向最冷的地方。类似于电流传导,可以采用(热)欧姆定律来表述:
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常用的传导材料的参数

★在实践中,通过空气传导散热可以忽略不计(比较Rw数字远远大于其他材料)。
★元件的散热片上安装的'接触'电阻是非常重要的(特别当设备必须与散热片隔离的时候)。

辐射:辐射热是通过电磁波,取决于表面处理和表面的温度情况(辐射系数)。

表面辐射系数:


★辐射由于缺乏辐射系数的信息而显得计算复杂,一般系数介于0.03和1,实际需要通过测量才能确定确切的数字。
★在非常高的表面温度的辐射对于传热的贡献急剧增加,但在更多实际情况中,一般之只能处理5%(抛光面)到40%(黑面)的热量。
★如果辐射能量通过相邻的物体表面反射,辐射的效果将会减少,这所谓的'屏蔽效应'(弯曲的散热片的边缘)

热对流
热对流是通过沿散热片表面流动的空气中散发热量,不同的表面处理,实际中热对流散发60%至90%的热量。
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实际计算过程中,热对流是相当麻烦的:
★温度依赖性
表面温度越高,对流会加大。(温度上身35℃,对流增加约5%)。
★表面'接触'的长度和方向。
上升的热空气造成的空气在垂直面上最动荡,正方形为最好方案。同样表面积的正方形散热片比矩形的2对流增加约15%)
★横向气流下沉
横向散热片沿顶部表面的气流并不是有限的,效果是与垂直的散热片相若。表面朝下气流'屏蔽'的散热片,从而降低了约50%的效果。水平散热片对流散热效果约为纵向散热片的75%。
★'屏蔽效应'
如果热表面距离太近,空气流动的干扰(动荡),再次降低了冷却效果。如果表面间隔为10-15毫米外,其效果就影响不大了。

综合上述效应:

在良好的布局,热空气是远离热点,新鲜的空气通过印刷电路板降低散热。
印刷电路板板上为了提高气体流动所开的孔的效果,很大程度上取决于实际产品的气流状况。

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