Cómo calcular el tamaño del disipador de calor para su aplicación
Para calcular el tamaño del disipador de calor, primero debe determinar la resistencia térmica total requerida entre la unión del componente y el aire ambiente, y luego dividir el aumento de temperatura máximo permitido por la disipación de potencia. Este cálculo produce un valor de resistencia térmica requerida (en °C/W) que debe comparar con la curva de rendimiento o la hoja de datos del disipador. Para un procesador de 10 W con un aumento de temperatura permitido de 50 °C sobre la ambiente, necesita un disipador con una resistencia térmica de 5,0 °C/W o inferior, lo que normalmente se traduce en un perfil de aluminio extruido de aproximadamente 75 mm x 75 mm x 25 mm con convección natural.
¿Cuál es la fórmula básica para dimensionar un disipador de calor?
La ecuación principal es una analogía simple de circuito térmico: Tj = Ta + (P x Rth), donde Tj es la temperatura de unión, Ta es la temperatura ambiente, P es la disipación de potencia en vatios y Rth es la resistencia térmica total desde la unión hasta el ambiente. Para encontrar la resistencia térmica total máxima permitida, reorganice la fórmula como Rth(máx) = (Tj(máx) - Ta) / P. Esta resistencia total es la suma de tres resistencias en serie: unión a carcasa (Rth-jc), carcasa a disipador (Rth-cs) y disipador a ambiente (Rth-sa). Para la mayoría de los cálculos, resolverá para Rth-sa, la resistencia térmica propia del disipador, que es el único valor que puede controlar mediante la geometría y el material.
Como ejemplo práctico, considere un MOSFET que produce 15 W de calor con una temperatura máxima de unión de 150 °C y una temperatura ambiente de 50 °C. El aumento de temperatura permitido es de 100 °C, lo que da una Rth total de 6,67 °C/W. Si la resistencia de unión a carcasa es de 0,5 °C/W y la interfaz de carcasa a disipador (con pasta térmica) es de 0,2 °C/W, la resistencia requerida de disipador a ambiente es de 5,97 °C/W. Entonces seleccionaría un disipador con un valor de hoja de datos de 6,0 °C/W o inferior bajo sus condiciones específicas de flujo de aire.
¿Cómo se convierte la resistencia térmica en dimensiones físicas?
Para convección natural con disipadores de aluminio extruido, una regla práctica útil es que una resistencia térmica de 1 °C/W requiere aproximadamente de 100 a 150 centímetros cuadrados de área superficial. Para convección forzada con flujo de aire de 2 m/s, el área superficial requerida se reduce a aproximadamente 40 a 60 centímetros cuadrados por cada 1 °C/W. A partir de estos objetivos de área, puede derivar la longitud, el ancho y la altura de las aletas. Un disipador de convección natural de 5 °C/W, por ejemplo, necesita alrededor de 500 a 750 cm² de área superficial total mojada, lo que podría lograrse con una placa base de 100 mm x 100 mm y 12 aletas de 20 mm de altura.
Los perfiles extruidos típicamente tienen alturas de aleta entre 10 mm y 40 mm, espesores de aleta entre 1,5 mm y 3,0 mm, y paso de aleta (espaciado de centro a centro) entre 5 mm y 10 mm. Para convección natural, se prefiere un espaciado de aleta más amplio de 7 a 10 mm para reducir la interferencia de la capa límite. Para convección forzada, un espaciado más ajustado de 4 a 6 mm aumenta el área superficial por unidad de volumen. El espesor de la placa base debe ser de al menos 5 mm para una distribución uniforme del calor, aunque se recomiendan 8 a 10 mm para fuentes de calor de más de 25 mm de diámetro.
¿Por qué importan la temperatura ambiente y la altitud en el cálculo?
La temperatura ambiente reduce directamente la diferencia de temperatura disponible entre la superficie del disipador y el aire circundante, que es la fuerza impulsora para la disipación de calor. Si su temperatura ambiente es de 70 °C en lugar de 25 °C, el aumento de temperatura permitido para un límite de unión de 125 °C cae de 100 °C a 55 °C, lo que significa que necesita aproximadamente el doble de área superficial para la misma potencia. A mayores altitudes, la densidad del aire disminuye, reduciendo el coeficiente de transferencia de calor por convección en aproximadamente un 2 a 3 por ciento por cada 300 metros de ganancia de elevación. A 3000 metros de altitud, puede necesitar de 20 a 30 por ciento más área superficial en comparación con el nivel del mar para el mismo rendimiento.
Para convección natural, el coeficiente de transferencia de calor está típicamente entre 5 y 15 W/(m²·K) dependiendo de la orientación y la geometría de las aletas. Para convección forzada, el coeficiente varía de 20 a 100 W/(m²·K) dependiendo de la velocidad del aire. La mayoría de las simulaciones térmicas y los valores de las hojas de datos asumen condiciones de nivel del mar con aire a 20 a 25 °C. Siempre reduzca el rendimiento de su disipador en un 10 por ciento por cada 15 °C por encima de 25 °C de ambiente, y en un 10 por ciento por cada 1000 metros sobre el nivel del mar.
¿Qué material debe elegir para su disipador de calor?
El aluminio 6063-T5 es el estándar de la industria para disipadores extruidos, ofreciendo una conductividad térmica de aproximadamente 200 W/(m·K) a un costo de USD 3 a 6 por kilogramo. El cobre proporciona 385 W/(m·K) pero cuesta USD 8 a 15 por kilogramo y pesa 3,3 veces más, por lo que se usa típicamente solo cuando el espacio está extremadamente limitado. El aluminio 6061-T6 es ligeramente más resistente pero tiene la misma conductividad térmica, mientras que el aluminio fundido a presión ADC12 tiene una conductividad más baja de aproximadamente 96 W/(m·K) debido a la porosidad y al contenido de aleación, lo que lo hace menos eficiente a pesar de los menores costos de herramientas.
Para aplicaciones de alto volumen, las herramientas de extrusión de aluminio cuestan entre USD 800 y USD 3000 por perfil, con plazos de entrega de 2 a 4 semanas. Los disipadores fundidos a presión requieren herramientas de USD 10,000 a USD 50,000 pero ofrecen formas más complejas. Los conjuntos de aletas de aluminio estampado, comunes en la línea de producción de BQUQ, ofrecen un rendimiento térmico dentro del 10 al 15 por ciento de las extrusiones sólidas a un costo unitario más bajo para volúmenes superiores a 10,000 piezas por año. Los disipadores de cobre cepillado proporcionan una conductividad cercana al cobre puro a 380 W/(m·K) pero cuestan de 30 a 50 por ciento más que el aluminio extruido.
¿Cuánta área superficial necesita para una disipación de potencia dada?
La siguiente tabla proporciona requisitos empíricos de área superficial para disipadores de aluminio de convección natural a nivel del mar con un aumento de temperatura de 30 °C sobre la ambiente. Estos valores asumen una superficie anodizada negra, que mejora la emisividad de 0,1 (aluminio desnudo) a 0,9, mejorando la transferencia de calor por radiación en un 20 a 30 por ciento.
| Disipación de potencia (W) | Área superficial requerida (cm²) | Tamaño típico del disipador (mm) | Rth-sa estimada (°C/W) |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6,0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5,0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4,0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3,0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2,5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1,8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1,2 |
Para convección forzada con flujo de aire de 2 m/s, divida el área superficial requerida por 2,5 a 3,0. Para flujo de aire de 5 m/s, divida por 4,0 a 5,0. Estos multiplicadores asumen que el flujo de aire se dirige a lo largo de los canales de las aletas con obstrucción mínima. Si su aplicación tiene flujo de aire restringido o el disipador está encerrado en una carcasa, aumente el área superficial en un 50 por ciento.
¿Cómo se contabilizan la resistencia de contacto y los materiales de interfaz térmica?
La interfaz entre la fuente de calor y la base del disipador contribuye de 0,1 a 1,0 °C/W dependiendo de la planitud de la superficie, la presión y el material de interfaz térmica (TIM) utilizado. Una capa de 0,1 mm de grasa térmica con una conductividad de 1,5 W/(m·K) sobre un dado de 25 mm x 25 mm produce aproximadamente 0,1 °C/W. Los materiales de cambio de fase y las almohadillas térmicas varían de 1,0 a 5,0 W/(m·K) pero añaden de 0,2 a 0,5 °C/W debido a su espesor. Para el mejor rendimiento, use una capa de 25 µm a 50 µm de grasa térmica aplicada uniformemente, con una presión de montaje de 10 a 30 psi.
La planitud de la superficie de la base del disipador debe ser de 0,05 mm o mejor para un contacto óptimo. BQUQ mecaniza las bases de los disipadores con una tolerancia de planitud de 0,02 mm sobre 100 mm de longitud, asegurando una resistencia de interfaz mínima. Si debe montar múltiples fuentes de calor en un solo disipador, sepárelas al menos 10 mm y use un espesor de base de al menos 8 mm para evitar el acoplamiento térmico. Para módulos IGBT de alta potencia, considere disipadores de cámara de vapor o tubos de calor, que pueden reducir la resistencia de dispersión en un 50 por ciento en comparación con el aluminio sólido.
¿Cuándo debería considerar enfriamiento activo en lugar de un disipador más grande?
Si su Rth-sa requerida es inferior a 1,0 °C/W y el volumen del disipador supera los 500 cm³, la convección forzada con un ventilador suele ser más rentable que un disipador pasivo. Un ventilador de 40 mm x 40 mm que proporciona 10 m³/h de flujo de aire a 3000 RPM puede reducir el área superficial requerida en un 60 por ciento, reduciendo el volumen del disipador de 500 cm³ a 200 cm³. Los ventiladores añaden de 1 a 5 W de consumo de energía y un tiempo medio entre fallas de 30,000 a 70,000 horas, lo que puede ser aceptable para equipos industriales pero no para electrónica de consumo sellada.
Para densidades de potencia superiores a 50 W/cm² en la fuente de calor, considere enfriamiento líquido, que logra de 0,05 a 0,2 °C/W con una placa fría y radiador. Los tubos de calor son efectivos para mover calor desde una fuente confinada a un conjunto remoto de aletas, con una capacidad típica de 50 a 100 W por tubo. El criterio de decisión es simple: si el volumen del disipador requerido para enfriamiento pasivo supera 1 litro, o el peso supera 2 kilogramos, el enfriamiento activo o los tubos de calor reducirán el costo total del sistema y el espacio.
¿Cuáles son los pasos prácticos para validar el tamaño de su disipador?
Primero, calcule la Rth-sa requerida usando la fórmula en la Sección 1, incluyendo todas las resistencias de interfaz. Segundo, estime el área superficial usando la tabla en la Sección 4, luego seleccione un perfil de extrusión estándar que proporcione al menos esa área. Tercero, mida la resistencia térmica real usando un termopar en la fuente de calor y un segundo termopar en el aire ambiente, con una carga de potencia conocida. Cuarto, ajuste por orientación: las aletas horizontales rinden de 10 a 15 por ciento peor que las verticales en convección natural debido al efecto chimenea reducido.
Use una herramienta de simulación CFD o pruebas empíricas para verificar la eficiencia de las aletas, que típicamente varía de 70 a 90 por ciento para aletas de aluminio. Si su aumento de temperatura medido excede el valor calculado en más del 15 por ciento, verifique si hay mal contacto, presión de montaje insuficiente o flujo de aire bloqueado. Para validación de producción, BQUQ recomienda una prueba de ciclo térmico de 1000 ciclos de -40 °C a 125 °C para asegurar que el TIM no se bombee y que el disipador no se deforme.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es una resistencia térmica razonable para un disipador pequeño?
Un disipador de aluminio de 50 mm x 50 mm x 10 mm con convección natural proporciona aproximadamente de 8 a 10 °C/W. Para comparación, un disipador de 100 mm x 100 mm x 25 mm proporciona de 3 a 4 °C/W, y un disipador de 200 mm x 200 mm x 40 mm proporciona de 1,2 a 1,8 °C/W.
¿Cómo mejora el anodizado el rendimiento del disipador?
El anodizado negro aumenta la emisividad superficial de 0,1 a 0,9, lo que mejora la transferencia de calor por radiación en un 20 a 30 por ciento en convección natural. La capa anódica es eléctricamente aislante y resistente a la corrosión, sin añadir resistencia térmica medible cuando se aplica a un espesor de 10 a 25 µm.
¿Puedo usar un disipador sin pasta térmica?
Puede, pero la resistencia de interfaz aumentará de 0,1 °C/W a 0,5 a 1,0 °C/W debido a los espacios de aire, que tienen una conductividad térmica de solo 0,026 W/(m·K). Esto puede reducir el rendimiento efectivo del disipador en un 30 a 50 por ciento, por lo que se recomienda encarecidamente pasta térmica o una almohadilla.
¿Cuál es la altura máxima de aleta para un disipador extruido?
Las extrusiones estándar de aluminio pueden lograr alturas de aleta de hasta 75 mm con un espesor de aleta de 1,5 mm y una relación altura-ancho de 1:50. Para aletas más altas de 75 mm, use conjuntos de aletas cepilladas, unidas o soldadas, que pueden alcanzar alturas de 150 mm.
¿Cómo calculo el tamaño del disipador para cargas de potencia pulsada?
Para cargas pulsadas, promedie la potencia sobre la constante de tiempo térmica del disipador, que es típicamente de 1 a 5 minutos para extrusiones de aluminio. Si la duración del pulso es inferior a 10 segundos, use la capacitancia térmica del disipador para absorber el pico de energía sin exceder la temperatura de unión.
¿Qué tasa de flujo de aire se necesita para un disipador de convección forzada?
Se requiere un mínimo de 1 a 2 m/s de flujo de aire a través de los canales de las aletas para lograr una mejora de 2,5x sobre la convección natural. Para un disipador de 100 mm x 100 mm, esto corresponde a 0,6 a 1,2 m³/min de flujo de aire de un ventilador.
¿Cuánto cuesta un disipador personalizado?
Un disipador de aluminio extruido con herramientas personalizadas cuesta USD 800 a 3000 por el troquel, más USD 3 a 6 por kilogramo por el material. El mecanizado añade USD 10 a 50 por pieza dependiendo de las características, y el anodizado añade USD 1 a 3 por metro cuadrado.
El equipo de ingeniería de BQUQ puede calcular el tamaño exacto del disipador para su aplicación dentro de 12 horas. Envíe su disipación de potencia, temperatura ambiente y temperatura máxima de unión a sc@bquq.com o contáctenos por WhatsApp al +86 13713157787. Visite www.bquq.com para hojas de datos y perfiles estándar.
