如何使用散热片使功率晶体管保持凉爽

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哪些设备产生热量?

关于电路，这个问题的广义答案是——所有的电路。电路中的热是由电阻引起的，电阻的特性存在于电路的每一部分:导线、电容器、电阻、半导体、电池、焊料。热是电流通过电阻所引起的效应，在电阻中，功率以温度升高的形式损失给周围介质。在许多这些部件中，加热是微不足道的;除非你是一名电力工程师，否则你可能不需要用矿物油来冷却铜线。然而，对于其中一些设备来说，热量是一个需要解决的实际问题——尤其是半导体产生的热量。

模拟

在半导体的模拟应用中，热最常出现在稳压器和输出晶体管中。与监管机构,权力失去热量很容易概念化:如果你有一个12伏特供应和希望生成一个5伏的输出使用调节器,然后电路画一个放大器的输出电流,监管机构已12瓦进入设备,和5瓦。剩下的7瓦怎么了?它们以热的形式被烧掉;当我们讨论消散热量的时候，我们会回到这个例子。

接通输出晶体管-在理想世界中，晶体管在完全打开或完全关闭时不会耗散功率。为了说明这一点，我们可以使用理想开关的经典例子:

情况1:开关打开

情况2:开关闭合

在情况1中，开关是开路的，没有电流通过开关或电阻器，因为根据欧姆定律:

现在在情况2中，开关已经闭合，现在有1mA的电流流过开关和电阻。现在有电流通过开关，让我们看看它耗散了多少能量。我们知道一个理想的闭合开关是一个完美导体，即没有电阻;所以开关耗散的功率方程变成

因此，无论是在闭合或打开的情况下，开关都不会耗散功率。然而，在现实生活中，我们并没有使用理想的器件:BJT的VCE_Sat在完全通电时通常在0.2伏特左右，甚至mosfet在完全通电时也有一个很小的电阻RDS_On。在大多数情况下，这些值足够低，功耗非常低;开关和开启之间的状态耗散的能量最多。在功率处理装置(如音频功率放大器)中，晶体管将把正弦波形放大到低阻抗负载(通常是扬声器)中。

一个适当的偏置类- A输出(操作整个360度波周期)将有这个输出晶体管在关和开之间不断过渡，从来没有完全达到任何一个，在一个正弦模式模拟输入。因此，a类放大器在应用零信号时将耗散最大的功率，因为此时晶体管刚好处于关和开状态的中间位置。这一点值得注意，因为在零输入状态下耗散的功率将用来决定散热片的大小，以防止晶体管过热。B类输出(每个输出设备只工作波周期的一半)产生的热量要少得多，因为它有一半的时间处于完全关闭状态。在这种情况下，放大器在零输入信号条件下消耗的热量最少，使得B类放大器的热效率高于A类放大器。

数字

在半导体的数字应用中，目标是在时钟频率上在开关状态之间切换，不花费时间，因此不耗散电力。我们再次遇到的问题是，这些设备并不完美;对于给定的CMOS晶体管，根据物理器件的尺寸和寄生电容，有一个最小的过渡时间，这限制了它在开关和开之间切换的速度。在这段过渡时间内，该装置将以热的形式耗散功率。当数字芯片的时钟速度增加时，花在关或开状态的时间减少，但过渡时间保持不变。因此，随着速度的增加，稳态与过渡态的比率降低，更多的功率损耗给热量。这是计算机CPU超频的主要原因之一，通常需要采取更大的措施来冷却芯片。

击败热火

现在我们知道了设备散热的方式和原因，那么我们如何控制它呢?正如电有良导体一样，热也有良导体。铜和铝等材料是极好的导热体，它们被用作称为散热器的设备，帮助将半导体的热量迅速转移到空气中，防止对芯片的热损伤。散热器的表面积越大，将热量传递给空气的速度就越快。下图描绘了一对散热器;散热器上的鳍片增加了表面积。

将电导体与热导体进行比较并非偶然，控制两者的方程是类似的:欧姆定律——>电压=电阻*电流温升——> δ温度=热电阻*功耗，或者，使用标准变量名称:

例如，从早期的电压调节器给我们5伏特从12伏特电源在1安培，耗散7瓦这样做。一个LM7805将是一个典型的设备，将完成这一点，但我们需要什么样的散热器，以帮助调节器耗散7瓦?查看LM7805的数据表(通过快速谷歌搜索可获得)，我们看到从半导体结到设备外部外壳的热阻是5摄氏度每瓦，从结到环境空气的电阻是65摄氏度每瓦。

使用我们的温度方程和数据表的规格，我们看到:

因此，我们在散热器中需要的最小热阻为9.29 C/W;然而，在工程中，我们总是希望给自己一个误差幅度，在这种情况下，我们用20%。这意味着我们实际上需要找到一个热阻不超过7.43 C/W的散热器。在这一点上，我们可以去电子部件分销商的网站，如Mouser或Digikey和搜索散热器，将适合220的情况下，并具有正确的热阻。我很快从Mouser找到了编号532-504222B00的部件，其热阻为6.4 C/W;这将非常适合我们的应用程序。当连接散热器时，重要的是在外壳和散热器之间使用热化合物。这是因为它将填满任何微小的空气口袋，可能是在两者之间，并导致热电阻的增加-我们绝对不希望那样。

热是任何工程师，无论其学科如何，都会在他们的职业生涯中遇到的东西。重要的是要认识到硬件的局限性，并能够使用适当的散热器进行补偿。beplay无法取钱数据表将永远是你的朋友，当你在处理数字时，试图辨别在特定情况下什么是最好的降温方法，记住给自己一个误差范围，这将为你的成功打下基础。