一、熱阻網絡
散熱設計的本質是讓熱流沿著最低熱阻的路徑散到空氣中,典型強迫的風冷的熱流路徑(此處忽略PCB散熱)為芯片結(發熱源)—芯片上殼—導熱界面材料—散熱器—空氣熱沉。芯片結到空氣的總熱阻可表示為:Rja= Rjc+Rcs +Rsa。
式中:Rja —總熱阻,℃/W;
Rjc—器件的內熱阻,℃/W;
Rcs—器件與散熱器界面間的界面熱阻,℃/W;
Rsa—散熱器熱阻,℃/W;
Rjc取決于芯片封裝,在芯片規格書中可查詢到,Rcs是界面熱阻,取決于導熱材料的導熱系數和厚度,Rcs=δ/(λA)
式中:δ—界面材料厚度,m;
λ—界面材料導熱系數,W/(mK)
A—接觸面積,m2
散熱器熱阻與散熱器結構、風速關系較大,因此散熱器的選用就很關鍵了。
二、散熱器選擇
根據廠家提供的熱阻網絡圖,可以確定出散熱器的最大熱阻。按照散熱器的工作條件(自然冷卻或強迫風冷),Rsa 和熱功耗,查散熱器的熱阻曲線,曲線上查出的值小于計算值時,就找到了合適的熱阻散熱器及其對應的風速,再查詢該散熱器的流阻曲線獲得壓降△P。
散熱器熱阻曲線
三、計算流量
計算流經散熱器流量:
Q=AV
式中:Q—流量
A—風量流經散熱器截面積
V—風量流經散熱器風速
四、風扇選擇
根據計算獲得的Q和△P,選擇風扇PQ曲線內包含Q與△P(風扇靜壓)點即可,如風扇PQ曲線圖所示。
風扇PQ曲線
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線分別代表不同系統的流阻特性曲線。系統特性曲線與風扇的特性曲線的交點就是該風扇的工作點,推薦系統工作在C 點,在該點風扇工作穩定。風扇選型工作點在實際風扇曲線下方即可滿足要求。
五、案例
某芯片功耗50w,平面尺寸25mm*25mm,Rjc為0.5K/W,結溫110℃,工作環境40℃,導熱界面材料為導熱硅脂,涂抹厚度0.1mm,導熱系數3W/mK。
1.總熱阻Rja=(110-50)/50 =1.2K/W;
2.導熱界面熱阻Rcs=0.1*1000/(3*25*25*)=0.05k/W;
3.散熱器熱阻Rsa=Rja-Rjc-Rcs=1.2—0.5-0.05=0.65K/W;
4.假定散熱器長度為100mm,根據上面的散熱器熱阻曲線圖,風速為1m/s時,熱阻為0.43K/W,滿足要求;
5.流過散熱器流量Q=1*0.004=0.004m3/s=8.5cfm;
6.假定該散熱器1m/s風速下的壓降為10Pa;
7.在下圖風扇特性曲線可看出,當風扇靜壓為10Pa時,風量達到13cfm,大于所需的8.5cfm,滿足設計要求。
風扇特性曲線