Dissipatori di calore: una guida passo-passo per eliminare il calore da un progetto

Di Aaron Yarnell

I dissipatori di calore sono importanti! I dissipatori di calore sono un componente importante nella progettazione di un circuito. Offrono infatti un percorso efficiente per trasferire all'aria dell'ambiente il calore sviluppato da dispositivi elettronici come BJT, MOSFET e regolatori lineari.

Servono a creare una superficie più ampia su un dispositivo che produce calore, e così facendo, consente un trasferimento più efficiente del calore lontano dalla superficie per dissiparlo nella zona circostante. Un percorso termico migliorato lontano dal dispositivo riduce l'aumento della temperatura alla giunzione del componente.

Questo articolo si prefigge di affrontare in modo approfondito il problema della scelta di un dissipatore di calore, attingendo ai dati termici dell'applicazione del dispositivo e alle specifiche messe a disposizione dal fornitore del dissipatore di calore.

Il dissipatore di calore serve davvero?

Ai fini di questo articolo, ipotizzeremo che nell'applicazione in oggetto vi sia un transistor alloggiato in un contenitore TO-220, dove la conduzione e le perdite di commutazione equivalgono a una dissipazione di potenza di 2,78 W. Supporremo inoltre che la temperatura di funzionamento ambientale non supererà i 50 °C. A questo transistor serve un dissipatore di calore?

Schema della vista frontale e laterale di un tipico contenitore TO-220 con un dissipatore di calore

Figura 1: Schema della vista frontale e laterale di un tipico contenitore TO-220 con un dissipatore di calore (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Prima di tutto, è necessario riassumere e capire le caratteristiche di tutte le impedenze termiche che potrebbero impedire la dissipazione dei 2,78 W nell'aria ambiente. Se la dissipazione non avviene in modo efficiente, la temperatura di giunzione all'interno del contenitore TO-220 aumenterà oltre la temperatura di funzionamento desiderata che, per questa applicazione, abbiamo stabilito a 125 °C.

In linea di massima, i fornitori di transistor registrano qualsiasi impedenza termica dalla giunzione all'aria ambiente, che viene indicata con il simbolo Rθ J-A e misurata in unità di °C/W. L'unità indica l'aumento previsto della temperatura di giunzione oltre la temperatura ambiente attorno al contenitore TO-220 per ogni unità di potenza (watt) dissipata all'interno del dispositivo.

Per contestualizzare tale aumento, quando un fornitore di transistor documenta che l'impedenza termica dalla giunzione all'ambiente è di 62 °C/W, la dissipazione di 2,78 W all'interno del contenitore TO-220 farà salire la temperatura di giunzione a 172 °C oltre la temperatura ambiente, calcolati come 2,78 W x 62 °C/W. Se, come caso peggiore, si presume che la temperatura ambiente per questo dispositivo sia di 50 °C, la temperatura di giunzione raggiungerà i 222 °C, calcolati come 50 °C + 172 °C. Poiché questo valore supera di gran lunga la temperatura massima specificata per il silicio, 125 °C, è assolutamente necessario un dissipatore di calore.

Per ridurre in modo significativo l'impedenza termica dalla giunzione all'ambiente, occorre installare un dissipatore di calore nell'applicazione. Il passo successivo consiste nel decidere quanto deve essere basso il percorso di impedenza termica per garantire un funzionamento sicuro e affidabile.

Stabilire i percorsi di impedenza termica

Per determinare il percorso di impedenza termica, partire dal massimo aumento tollerabile della temperatura. Se la massima temperatura di funzionamento del dispositivo è di 50 °C ed è già stato stabilito che la giunzione del chip non deve superare i 125 °C, l'aumento massimo di temperatura consentito è di 75 °C, che viene calcolato come 125 °C - 50 °C.

Il passo successivo consiste nel calcolare la massima impedenza termica tollerabile tra la giunzione e l'aria ambiente. Se l'aumento massimo di temperatura consentito è di 75 °C e i watt dissipati all'interno del contenitore TO-220 sono 2,78 W, l'impedenza termica massima ammissibile è 27 °C/W; calcolati come 75 °C ÷ 2,78 W.

Infine, prendere in esame tutti i percorsi di impedenza termica, dalla giunzione del chip all'aria ambiente, e controllare che la loro somma sia inferiore alla massima impedenza termica ammissibile, che è di 27 °C/W come calcolato sopra.

Immagine dell'illustrazione grafica delle impedenze termiche da calcolare

Figura 2: Immagine dell'illustrazione grafica delle impedenze termiche da prendere in esame e sommare tra la giunzione e l'aria ambiente in una tipica applicazione TO-220. (Immagine per gentile concessione di CUI Inc.)

Nel grafico della Figura 2, si può vedere che la prima impedenza termica da valutare è quella "dalla giunzione al contenitore", rappresentata con il simbolo Rθ J-C. Ciò mostra quanto sia facile trasferire il calore dalla giunzione in cui viene generato alla superficie del dispositivo, indicata come TO-220 in questo esempio. In genere, le schede tecniche dei fornitori riporteranno questa impedenza, insieme al valore dalla giunzione all'aria ambiente. Qui, l'impedenza termica presunta dalla giunzione al contenitore è valutata a 0,5 °C/W.

Rappresentata dal simbolo Rθ C-S, la seconda impedenza termica richiesta è quella "dal contenitore al dissipatore". Questo indica il livello di facilità con cui il calore può essere trasferito dal contenitore esterno del dispositivo alla superficie del dissipatore di calore. Dato che a volte sono presenti delle irregolarità sulle due superfici, di solito si consiglia di applicare un materiale di interfaccia termica - TIM o "composto termico" - tra le superfici del contenitore TO-220 e la base del dissipatore di calore per essere sicuri che i due componenti siano ben accoppiati dal punto di vista termico. L'applicazione di un TIM migliorerà in modo significativo il trasferimento del calore dalla superficie del TO-220 al dissipatore di calore, anche se occorre tener conto della sua impedenza termica associata.

Schema della rappresentazione ingrandita da superficie a superficie

Figura 3: Rappresentazione ingrandita da superficie a superficie che illustra la necessità di un materiale di interfaccia termica (TIM) (Immagine per gentile concessione di CUI Inc.)

Spiegazione dei materiali dell'interfaccia termica

Generalmente parlando, i TIM sono caratterizzati dalla loro conducibilità termica, in watt per metri-Celsius (W/(m °C)) o watt per metri-Kelvin (W/(m K)). In questo esempio, Celsius e Kelvin sono trasponibili in quanto utilizzano entrambi lo stesso aumento della misurazione della temperatura, in cui vengono calcolati l'aumento e la diminuzione della temperatura. Ad esempio, un aumento di 45 °C equivale a un aumento di 45 K.

L'unità metrica viene inclusa per il fatto che l'impedenza del TIM si basa sul rapporto dello spessore (spessore del TIM in metri) sull'intera area (area coperta dal TIM in metri2), che dà come risultato 1/m (calcolato come m/m2 = 1/m). In questo esempio, sull'area della linguetta metallica della superficie del contenitore del TO-220 viene applicato uno strato sottile di TIM, con le proprietà specifiche e i dettagli dell'applicazione riportati sotto:

Equazione 1

Utilizzando le proprietà sopra indicate, l'impedenza termica del TIM può essere calcolata con la seguente equazione, utilizzando per coerenza i metri:

Equazione 2

Scelta di un dissipatore di calore

L'ultima impedenza termica da valutare è quella "dal dissipatore all'aria ambiente", rappresentata dal simbolo Rθ S-A. Questo calcolo rivela con quanta facilità il calore può essere trasferito dalla base del dissipatore di calore all'aria ambiente circostante. CUI è un produttore di componenti elettronici e fornitore di dissipatori di calore che offre grafici come quello illustrato nella Figura 4 per dimostrare la facilità con cui il calore può essere trasferito dal dissipatore all'aria ambiente su diversi carichi e condizioni di ventilazione.

Grafico che mostra l'aumento tipico della temperatura della superficie di montaggio del dissipatore di calore rispetto all'aria ambiente

Figura 4: Grafico che mostra l'aumento tipico della temperatura della superficie di montaggio del dissipatore di calore rispetto all'aria ambiente (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

In questo esempio, si presume che il dispositivo funzioni in condizioni di convezione naturale senza ventilazione. Il grafico può essere utilizzato per calcolare l'impedenza termica finale, dal dissipatore di calore all'aria ambiente, per questo specifico dissipatore. L'aumento della temperatura oltre la temperatura ambiente, diviso per il calore dissipato, dà l'impedenza termica a quella specifica condizione operativa. Qui, il calore disperso è di 2,78 W, con un conseguente aumento della temperatura superficiale di 53 °C sopra l'aria ambiente. Dividendo i 53 °C per 2,78 W si ottiene un'impedenza termica dissipatore-aria ambiente di 19,1 °C/W.

Nei calcoli precedenti, l'impedenza massima consentita tra la giunzione e l'aria ambiente era pari a 27 °C/W. Sottraendo l'impedenza dalla giunzione al contenitore (0,5 °C/W) e quella dal contenitore al dissipatore di calore (0,45 °C/W) si ottiene la tolleranza massima per il dissipatore di calore, calcolata in 26,05 °C/W; questo valore viene calcolato come 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W.

Ai fini di questo esempio, con le condizioni presunte, un'impedenza termica di 19,1 °C/W per questo dissipatore di calore scende ben al di sotto del calcolo precedente di una tolleranza di 26,05 °C/W. Questo valore si trasforma in una temperatura di giunzione del chip più fredda all'interno del contenitore TO-220 e in un margine termico più ampio all'interno del progetto. Inoltre, la temperatura massima della giunzione può essere approssimata sommando tutte le impedenze termiche, quindi moltiplicandole per il numero di watt dissipati nella giunzione e, infine, aggiungendo il risultato alla temperatura ambiente massima, come segue:

Equazione 3

L'esempio presentato qui rivela l'importanza dei dissipatori di calore nella gestione termica di un'applicazione. Se il dissipatore di calore fosse stato omesso, la giunzione del chip all'interno del contenitore TO-220 avrebbe superato di molto il limite nominale del progetto di 125 °C. Il processo utilizzato in questo caso può essere modificato e ripetuto per aiutare i progettisti a scegliere dissipatori di calore idonei, opportunamente dimensionati per un'ampia gamma di applicazioni diverse.

Conclusione

I dissipatori di calore rivestono un ruolo decisivo nella progettazione dei circuiti perché offrono un percorso efficiente per trasferire il calore nell'aria ambiente lontano dai dispositivi elettronici. Identificando la temperatura massima dell'ambiente circostante assieme alla potenza dissipata all'interno del dispositivo, è possibile scegliere il dissipatore di calore più idoneo, che non sia troppo piccolo da causare l'arresto per surriscaldamento ma neanche troppo grande da sprecare denaro. Non va inoltre trascurato il ruolo importante che svolgono i TIM nel trasferire in modo efficiente e costante il calore tra le due superfici.

Infine, una volta definiti i parametri dell'applicazione - la temperatura ambiente, la dissipazione di potenza e i percorsi dell'impedenza termica - esaminare il portafoglio offerto da CUI di dissipatori di calore a livello di scheda per identificare il modello idoneo per le esigenze di raffreddamento del progetto.

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Informazioni su questo autore

Aaron Yarnell

Article provided by Aaron Yarnell, Field Applications Engineering Manager, CUI.