Как рассчитать систему отвода тепла от силового элемента электронной схемы
Формула для расчета охлаждения силового элемента
Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:
[Температура кристалла силового элемента, грЦ] = [Температура окружающей среду, грЦ] + [Рассеиваемая мощность, Вт] * [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт]
где [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой, грЦ / Вт] (для случая с радиатором),
или [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой, грЦ / Вт] (для случая без радиатора).
В результате расчета мы должны получить такую температуру кристалла, чтобы она была меньше максимально допустимой, указанной в справочнике.
Подпишись на RSS!
Подпишись на RSS и получай обновления блога!
Получать обновления по электронной почте:
Полное или частичное копирование материалов запрещено. При согласованном использовании материалов сайта активная ссылка обязательна.
Сайт и форум
-
-
-
-
International Forum
This is a special forum for English spoken people, read it first.
-
Образование в области электроники
все что касается образования, процесса обучения, студентам, преподавателям.
- Решение задач
-
Обучающие видео-материалы и обмен опытом
Обсуждение вопросов создания видео-материалов
Модераторы раздела iosifk
Программируемая логика ПЛИС (FPGA,CPLD, PLD)
-
Среды разработки – обсуждаем САПРы
Quartus, MAX, Foundation, ISE, DXP, ActiveHDL и прочие.
возможности, удобства. -
Работаем с ПЛИС, области применения, выбор
на чем сделать? почему не работает? кто подскажет?
-
Языки проектирования на ПЛИС (FPGA)
Verilog, VHDL, AHDL, SystemC, SystemVerilog и др.
-
Системы на ПЛИС – System on a Programmable Chip (SoPC)
разработка встраиваемых процессоров и периферии для ПЛИС
Цифровая обработка сигналов – ЦОС (DSP)
-
Сигнальные процессоры и их программирование – DSP
Обсуждение различных сигнальных (DSP) процессоров, возможностей, совместимости и связанных с этим тем.
-
Алгоритмы ЦОС (DSP)
Обсуждение вопросов разработки и применения (программирования) алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Присоединяйтесь к обсуждению
Вы можете опубликовать сообщение сейчас, а зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, войдите в него для написания от своего имени.
Примечание: вашему сообщению потребуется утверждение модератора, прежде чем оно станет доступным.
Часть 2: Расчет тепловыделения MOSFET при ШИМ
Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность в случае использования ШИМ. Пусть сигнал ШИМ на затвор поступаем напрямую с микроконтроллера. Максимальный ток 25мА. Во время ШИМ есть 4 фазы: открытие затвора, высокий уровень, закрытие затвора, низкий уровень. Выделение тепла идет во всех фазах, кроме низкого уровня. Во время высокого уровня мощность равна U*I, как обычно. Мощность в фазе открытия затвора зависит от времени открытия, которое зависит от емкости затвора и тока драйвера. Пусть в нашем примере частота пусть будет 240Гц. Коэф. заполнения: 0.5. Ток 3А. Пусть это будет управление светодиодами, транзистор включен со стороны общего провода. Напряжение питания 5В.
Рассчитать теоретически точно потери по всех фазах довольно сложная задача, так как параметры и результаты расчет зависят друг от друга и есть процессы происходящие в подложке. Но на практике такая точность и верность теории не требуется. Есть приблизительные оценки потерь в фазах открытия и закрытия, которые дают практические цифры, которые можно использоваться при вычислении тепловыделения. Для расчета эффективности (КПД) этот метод не годится.
Потери в фазе высокого уровня (фазе полного открытия) мы считали в первой части и там нет ничего сложного.Для закрытия и открытия оказывается важным вид нагрузки: резистивная или индуктивная.
Потери при переключении возникают из-за того, что в процессе переключения через транзистор проходит большой ток при большом напряжении. Можно взять идеализированную форму этого процесса и рассчитать потери с приемлемой точностью для практического расчета тепловыделения.
Для резистивной нагрузки
Psw=1/2 * Fs *Vds*Id*tsw
Для индуктивной
Psw=1/6 * Fs *Vds*Id*tsw
Где
Fs- частота
Vds – напряжение сток-исток (в закрытом состоянии)
Id- ток проходящий через транзистор (в открытом состоянии)
tsw – время переключения
Время переключения в первом приближении можно рассчитать по графику зависимости зарядка на затворе от напряжения затвор-исток.
При напряжении 3.3В по графику заряд будет не более 4nC
tsw= ЗарядЗатвора/ТокДрайвера =4nC/0.025A=160.4ns
Считаем процессы закрытия и открытия симметричными. Тогда итоговые потери переключения, например, для резистивной нагрузки:
Psw=1/2 * Fs * Vds * Id *tsw= 1/2 * 240* 20*3*160ns=1 мВт
Время во включенном состоянии намного больше времени переключения, поэтому время переключения игнорируем (для больших частот это не так). Тогда потери в проводящей фазе равны D*I^2* Rds(on), где D – коэф. заполнения
Pcond=0.5*3*3* 0,6563 = 2,95 Вт
Видно, что потери на переключение пренебрежительно малы в сравнении с потерями в открытой фазе.
Еще существуют потери связанные с паразитной емкостью сток-исток.
Psw2=Coss* Voff^2*fs
Где,
Coss – выходная емкость, 130pF, из даташита
Voff – напряжение сток-исток, когда mosfet выключен
, 5ВFs – частота переключения, 240 Гц
Рассчитаем
Psw2=(130*10-12)*5^2*240=0,78 мкВт
Т.е. на 3 порядка меньше основных потерь при переключении.А потери при переключении на 3 порядка меньше потерь проводимости.
Ради интереса рассчитаем потери при частоте 2МГц, D=0,8 и тоге 20 А.
Psw=10,6Вт
Pcond=210 Вт
Psw2=0.78мкВт
Видно , что даже при таких условиях потери на переключение на порядок меньше потерь проводимости. Т.е. когда вы будете искать радиатор на 210 Вт, дополнительные 10Вт просто попадут в инженерный запас, который вы обязательно должны сделать (около 20%).
Кроме этого рассчитывать надо крайний случай, которым является D=0.99, Pcond=260 Вт при этом Psw сохраняется прежним.
Из приведенных формул можно сделать интересные выводы:
- Чтобы сократить потери на переключение, надо сократить время переключения. Для этого надо иметь мощный драйвер, который может отдавать большой ток в затвор.
- Малый ток затвора ограничивает скорость переключения. В нашем примере время включения и выключения было в районе 160 нс. Т.е. даже если только открывать и закрывать затвор минимальный период будет равен 320нс, т.е. максимальная частота, с которой можно открывать и закрывать затвор током драйвера в 25мА составит примерно 3МГц.
- Вклад частоты в потери линейный, а общий вклад потерь при переключении не существенный.
- При частотах до 1МГц и при токах до 20А вклад потерь при переключении составляет 1-2% от общих потерь и может быть смело проигнорирован. В этом случае потери на mosfet-е можно просто считать как Iout^2*Rdn(on)*D
- Выходное сопротивление управляющего сигнала и емкость затвора представляющий собой ФНЧ с частотой 1/Rout*Cgs,где Cgs=Ciss-Crss, но из фактических значений для любого разумного случая это сотни мегагерц минимум.
Дополнительное чтение с более сложными расчетами, дающими примерно такой же результат по тепловыделению, но правильные для расчета КПД.
https://www.exar.com/content/document.ashx?id=1245
http://www.ti.com/lit/an/slpa009a/slpa009a.pdf
Микроконтроллеры (MCs)
-
-
-
-
MSP430
Texas Instruments
Модераторы раздела VAI -
-
Отладочные платы
Вопросы, связанные с отладочными платами на базе МК: заказ, сборка, запуск
- Arduino
- Raspberry Pi
- Rainbow
- Siberia
- EVMxxxx
Сборка РЭУ
-
Пайка и монтаж
вопросы сборки ПП, готовых изделий, а также устранения производственных дефектов
-
Корпуса
обсуждаем какие есть копруса, где делать и прочее
-
Аналоговая и цифровая техника, прикладная электроника
-
Вопросы аналоговой техники
разработка аналоговых схем, моделирование схем в SPICE, расчёты и анализ, выбор элементной базы
- Операционные усилители и АЦП
-
-
Rf & Microwave Design
wireless технологии и не только
Модераторы раздела l1l1l1 -
Метрология, датчики, измерительная техника
Все что связано с измерениями: измерительные приборы (осциллографы, анализаторы спектра и пр.), датчики, обработка результатов измерений, калибровка, технологии измерений и др.
- Оптика и оптоэлектроника
-
АВТО электроника
особенности электроники любых транспортных средств: автомашин и мотоциклов, поездов, судов и самолетов, космических кораблей и летающих тарелок.
Модераторы раздела Vasily_ -
-
3D печать
3D принтеры, наборы, аксессуары, ПО
-
Робототехника
Модели, классификация, решения, научные исследования, варианты применения
-
Ремонт и отладка
обсуждение вопросов ремонта и отладки различных устройств и готовых изделий
Модераторы раздела Herz
Поставщики компонентов для электроники
-
Поставщики всего остального
от транзисторов до проводов
-
Майнеры криптовалют и их разработка, BitCoin, LightCoin, Dash, Zcash, Эфир
-
Обсуждение Майнеров, их поставки и производства
наблюдается очень большой спрос на данные устройства.