DISSIPATORI DI CALORE E CALCOLO DIMENSIONI

NE555   Tutorial sui Dissipatori di Calore con Strumento di Calcolo per Dimensionarli in Funzione della Potenza che Devono Smaltire…

 

 

 
 

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INTRO

Nei dispositivi a semiconduttore ma anche nei resistori, viene generato calore per effetto joule visto il passaggio di corrente. I dispositivi in generale , chi più e chi meno, in gradi di smaltire il calore prodotto. Può succedere però che la potenza è molto maggiore rispetto a quella che riescono a dissipare da soli e serve quindi connetterli meccanicamente ad un dissipatore termico.

Ogni dispositivo ha una temperatura massima di funzionamento oltre la quale il dispositivo si brucia. Inoltre è buona pratica far lavorare i dispositivi lontani da questa temperatura massima, quindi il dissipatore serve sia per evitare che il dispositivo si bruci, sia per far lavorare a temperature minori il dispositivo e aumentare la sua vita riducendo le rotture dei sistemi elettronici.

Il calcolo delle dimensioni del dissipatore è una equazione che tiene conto di molti parametri tra cui la temperatura ambiente, la temperatura massima, il tipo di case del dispositivo, come il dispositivo è connesso al dissipatore e soprattutto dipende dalla potenza massima.

La temperatura ambiente è molto importante, infatti la potenza che il dispositivo può smaltire dipende dalla temperatura e diminuisce all’aumentare della temperatura secondo la curva di derating:

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Questa curva nasce dal fatto che ogni dispositivo ha una certa resistenza termica che si misura in °C/W che indica quanto velocemente scambia calore con l’ambiente (maggiore è la resistenza termica minore è il passaggio del calore) e nasce anche dal fatto che la potenza massima dissipabile dipende dalla temperatura ambiente secondo la seguente formula:

Quindi la curva di derating indica quale è la potenza massima dissipabile se aumenta la temperatura ambiente. La pendenza della curva di derating non è altro che -1/Rtermica.
 




 
DISPOSITIVI E PROPAGAZIONE DEL CALORE

Come ben noto in elettronica esistono vari dispositivi con vari case, ogni case ha diverse caratteristiche e anche caratteristiche termiche come la resistenza termica e la potenza massima. Il calore si può trasmettere in 3 modi che sono conduzione (avviene tra due corpi a contatto ed è il meccanismo più efficiente), convezione (è il meccanismo di scambio di calore attraverso un fluido, come un dissipatore e un flusso di aria) e infine irraggiamento (irradiazione di calore attraverso la radiazione infrarossa).

Considerando un dispositivo, esso è fatto da un chip di silicio incapsulato, quindi il calore passa dal chip al case per conduzione e poi il case irradia il calore in aria con la convezione e irraggiamento. Ovviamente tra il chip di silicio e il case vi sarà una certa resistenza termica e anche tra il case e l’ambiente. Consideriamo i seguenti case o packages:

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Come si può vedere ogni package ha la sua potenza massima e la sua resistenza tra il chip di silicio e il case (Rth-jc) e la resistenza tra il chip di silicio e l’aria ((Rth-ja). Maggiore è la resistenza termica tra il chip (junction) e l’ambiente, minore sarà la potenza dissipabile secondo l’equazione vista prima. Considerando anche il dissipatore vi sarà anche una resistenza termica anche tra il case e il dissipatore, chiamata Rth sink-case.

Questa resistenza termica dipende come viene eseguito il contatto tra il dispositivo e il dissipatore. Se il contatto viene fatto a secco la resistenza termica è di circa 2°C/W, se invece si usa una mica isolante la resistenza termica è di circa 1.5°C mentre il caso migliore è usare la pasta termica ottenente una resistenza pari a 1°C/W. La resistenza termica diminuisce all’aumentare della qualità della pasta termica e inoltre diminuisce se il dispositivo è ben avvitato, con un’adeguata forza, al dissipatore. La mica isolante se ben usata, insieme agli isolatori per i bulloni, garantisce un isolamento elettrico quando vi sono più dispositivi su un unico dissipatore.

La resistenza termica dei dissipatori Rs-a che indica come scambiano calore con l’esterno è misurata in condizioni di aria semi-statica (ovvero la normale condizione di una stanza, noi non c’è ne accorgiamo ma vi sono dei flussi di aria) e sul livello del mare, infatti salendo in altitudine l’aria diventa più rarefatta e la resistenza termica aumenta. Tralasciando l’effetto dell’altitudine e considerando solo il flusso d’aria che fluisce tra le alette del dissipatore si può affermare che la resistenza termica Rs-a diminuisce all’aumentare del flusso di aria. È per questo motivo che si usano apposite ventole sui dissipatori. L’effetto di una ventilazione forzata sulla resistenza termica dipendono dalla geometria del dissipatore e dalla portata del flusso d’aria in modo quasi lineare. Quindi se si ha un dissipatore con alette la cui resistenza termica è maggiore di quella desiderata, una ventola su esso va a migliorare le prestazione. Solitamente nei datasheet è indicato come varia la resistenza termica con e senza flusso d’aria forzato.
 

SCELTA E DIMENSIONAMENTO DEL DISSIPATORE

Per conoscere le varie temperature degli elementi (chip, case e dissipatore) si può usare il circuito termico come da figura:

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La temperatura del silicio ovvero del chip è data dalla temperatura ambiente più la potenza del chip moltiplicato per la somma delle tre resistenze termiche. Si può suppore che la potenza sia un generatore di corrente con valore Pd e le resistenze termiche normali resistori.

Supponiamo una potenza di 10W, quindi un valore di corrente di 10° nel circuito equivalente. Supponiamo le resistenze termiche con i seguenti valori Rj-c = 1°C/W, Rc-s = 2°C/W, Rs-a = 5°C/W e la temperatura ambiente di 30°C quindi 30V. La Ts sarà = 30 + (10 x 5) = 80V ovvero 80°C, la Tc sarà 80 + (10 x 2) = 100V ovvero 100°C mentre infine la temperatura del cip di silicio sarà Tj = 100 + (10 x 1) = 110V ovvero 110°C, che è un valore accetabile per il chip di silicio visto che solitamente sopportono 150°C – 170°C.

Dalla formula delle temperature facendo diventare Tsilicio la temperatura massima del silicio si ottiene l’equazione del valore della resistenza termica ovvero la dimensione del dissipatore secondo la seguente equazione e il seguente strumento di calcolo:

 
Quando si dimensiona il dissipatore bisogna sempre sceglierlo leggermente più piccolo rispetto al valore ottenuto nel calcolo, in modo tale evitare di far lavorare il componente alla temperatura massima e danneggiarlo. Ad esempio se dal calcolo esce Rs-a=2°C/W vado a scegliere un dissipatore il 90% circa più piccolo quindi 1.8°C/W. Un’altra soluzione è quella di supporre la temperatura massima leggermente più piccola, ad esempio se nel datasheet è indicato 150°C nel calcolo suppongo 130°C, come avviene nel risultato con margine di sicurezza dello strumento di calcolo sovrastante.

Può succedere che vi siano più dispositivi su un unico dissipatore. Se i dispositivi sono tutti uguali (stessa temperatura massima e stesse resistenze termiche) ai fini del calcolo si può considerare un solo dispositivo con potenza la somma di tutti i dispositivi e le resistenze termiche divise per il numero di dispositivi. Ad esempio Rj-c = 1°C/W, Rc-s = 1°C/W, Ta=50°C e Tmax=150°C e ho due dispositivi con potenza Pd=10W e Pd=20, posso usare lo stesso calcolo dell’equazione e considerare pd=30W, Rj-c = 0.5°C/W e Rc-s = 0.5°C/W Se le potenze sono tutte uguali invece si fa il calcolo per un solo dispositivo e poi si divide per il numero di dispositivi. Il calcolo si complica se i dispositivi sono diversi, in questo caso si può calcolare il dissipatore per ogni singolo componente e poi si va ad utilizzare la formula del parallelo delle resistenze. Supponiamo un dispositivo con case TO-220 a cui serve un dissipatore con resistenza termica Rs-a’ = 10°CW e un dispositivo con case T0-3 a cui serve un dissipatore con Rs-a’’ =  3°C/W. Li posso montare entrambi su un dissipatore con Rs-a = ((Rs-a’ x Rs-a’’)/ (Rs-a’ + Rs-a’’)) = ((5 x 3)/ (5 + 3)) = 1.7°C/W.

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