Disipadores térmicos: una guía paso a paso para quitar el calor de su diseño

Por Aaron Yarnell

¡Los disipadores térmicos son importantes! Constituyen un aspecto importante del diseño del circuito, dado que brindan una ruta efectiva para que el calor se transfiera desde los dispositivos electrónicos hacia afuera (piense en los BJT, MOSFET y reguladores lineales), y hacia el aire ambiente.

Su función es crear un área de superficie más grande en un dispositivo productor de calor, y al hacerlo permiten una transferencia más eficiente del calor hacia afuera y hacia sus alrededores. Un mejor recorrido térmico hacia afuera del dispositivo reduce cualquier aumento de temperatura en la conexión del componente.

Este artículo tiene la intención de presentar una introducción avanzada a la elección de un disipador térmico, sobre la base de los datos térmicos de la aplicación del dispositivo, junto con las especificaciones proporcionadas por el proveedor del disipador térmico.

¿Se necesita un disipador térmico?

A los efectos de este artículo, supondremos que la aplicación en cuestión tiene un transistor alojado en un paquete TO‑220, donde las pérdidas de conducción e interrupción equivalen a una disipación de potencia de 2.78 W. Además, la temperatura ambiente de funcionamiento no superará los 50 °C. ¿Es necesario un disipador térmico para este transistor?

Diagrama de la vista frontal y lateral de un paquete TO‑220 típico con un disipador térmico

Figura 1: Vista frontal y lateral de un paquete TO‑220 típico con un disipador térmico (fuente de la imagen: CUI Inc.)

En primer lugar, se deben reunir y analizar las características de todas las impedancias térmicas que puedan evitar que los 2.78 W se disipen en el aire ambiente. Si no pueden dispersarse eficientemente, la temperatura de la conexión dentro del paquete TO‑220 aumentará por encima de la temperatura de funcionamiento máxima deseada, que, para esta aplicación, será de 125 °C.

En general, los proveedores de transistores registran cualquier impedancia térmica de la conexión al ambiente, que se muestra con el símbolo Rθ J‑A y se mide en unidades de °C/W. La unidad muestra cuánto se espera que la temperatura de la conexión aumente por encima de la temperatura ambiente alrededor del paquete TO‑220 por cada unidad de potencia (vatio) disipada dentro del dispositivo.

Para poner esto en contexto, cuando un proveedor de transistores documenta que la impedancia térmica de la conexión al ambiente es de 62 °C/W, los 2.78 W de disipación dentro del paquete TO‑220 harán que la temperatura de la conexión aumente a 172 °C por encima la temperatura ambiente, calculado como 2.78 W x 62 °C/W. Si se asume que la temperatura ambiente en el peor de los casos para este dispositivo es de 50 °C, entonces la temperatura de la conexión alcanzará los 222 °C, calculada como 50 °C + 172 °C. Dado que supera ampliamente la temperatura máxima de 125 ºC del silicio, se necesita un disipador térmico.

La conexión de un disipador térmico a la aplicación reducirá significativamente la impedancia térmica de la conexión al ambiente. En la siguiente etapa, decida qué tan baja debe ser la vía de impedancia térmica para ofrecer una operación segura y confiable.

Establecimiento de vías de impedancia térmica

Para determinar la vía de impedancia térmica, comience con el mayor aumento tolerable de la temperatura. Si la temperatura ambiente de funcionamiento más alta del dispositivo es de 50 °C, y ya hemos establecido que la conexión de silicio debe permanecer a 125 °C o menos, entonces el aumento de temperatura máximo permitido es de 75 °C, calculado como 125 °C − 50 °C.

El siguiente paso es calcular la mayor impedancia térmica tolerable entre la conexión en sí y el aire ambiente. Si el aumento de temperatura máximo permitido es de 75 °C y los vatios disipados dentro del paquete TO‑220 se miden a 2.78 W, entonces la mayor impedancia térmica admisible es de 27 °C/W; calculada como 75 °C ÷ 2.78 W.

Por último, cuente todas las vías de impedancia térmica, desde la conexión de silicio hasta el aire ambiente, y confirme que su suma sea menor que la impedancia térmica máxima permitida; que es de 27 °C/W como se calculó arriba.

Imagen de la ilustración gráfica de las impedancias térmicas que se deben calcular

Figura 2: Ilustración gráfica de las impedancias térmicas que se deben calcular y sumar entre la conexión y el aire ambiente en una aplicación TO‑220 típica (fuente de la imagen: CUI Inc.)

En el gráfico de la Figura 2, se puede ver que la primera impedancia térmica necesaria es la de la conexión a la caja, representada con el símbolo Rθ J‑C. Esto denota lo fácil que es que el calor se transfiera desde la conexión donde se genera el calor y hacia la superficie del dispositivo, que se indica como TO‑220 en este ejemplo. En general, las hojas de datos de los proveedores enumeran esta impedancia, junto con el valor de la conexión al ambiente. Aquí, la supuesta impedancia térmica de la conexión a la caja se clasifica a 0.5 °C/W.

La segunda impedancia térmica necesaria, representada por el símbolo Rθ C‑S, es la de la caja al disipador, un indicador de la facilidad con que se puede transferir el calor desde la caja exterior del dispositivo a la superficie del disipador térmico. Como a veces hay irregularidades en las dos superficies, normalmente se recomienda aplicar un material de interfaz térmica (TIM o 'compuesto térmico') entre las superficies de la caja del TO‑220 y la base del disipador térmico para asegurarse, desde un punto de vista térmico, de que ambos están conectados por completo. La aplicación de un TIM mejorará significativamente la transferencia de calor desde la superficie del TO‑220 al disipador térmico, aunque debe considerarse su impedancia térmica asociada.

Diagrama de una ilustración ampliada de superficie a superficie

Figura 3: Ilustración ampliada de superficie a superficie que muestra la necesidad de un material de interfaz térmica (TIM) (fuente de la imagen: CUI Inc.)

Explicación de los materiales de interfaz térmica

En términos generales, los TIM se caracterizan por su conductividad térmica, en unidades de medida en vatios por metros-grados Celsius (W/(m °C)) o vatios por metros-grados Kelvin (W/(m K)). En este ejemplo, Celsius y Kelvin son intercambiables, ya que ambos usan el mismo aumento de medición de temperatura, donde se calculan el aumento y la caída de la temperatura; por ejemplo, un aumento de temperatura de 45 °C es igual a un aumento de temperatura de 45 K.

La unidad de metros se incluye debido al hecho de que la impedancia del TIM se basa en la relación de espesor (grosor del TIM en metros) en toda el área (el área que el TIM cubre en metros2), lo que da como resultado 1/m (calculado como m/m2 = 1/m). En este ejemplo, se aplica una capa delgada de TIM sobre el área de la pestaña metálica de la superficie de la caja del TO‑220, con las propiedades específicas y los detalles de la aplicación que se mencionan a continuación:

Ecuación 1

Usando las propiedades enumeradas anteriormente, la impedancia térmica del TIM se puede calcular con la siguiente ecuación, usando metros para ser consistentes:

Ecuación 2

Elección de un disipador térmico

La última impedancia térmica necesaria es del disipador al ambiente, que se representa con el símbolo Rθ S‑A. Este cálculo revela la facilidad con que se puede transferir el calor desde la base del disipador térmico hacia el aire ambiente circundante. El fabricante de componentes electrónicos CUI es un proveedor de disipadores de calor que proporciona gráficos como el que se muestra en la Figura 4 para demostrar la facilidad con que se puede transferir el calor del disipador térmico al aire ambiente a través de diferentes cargas y condiciones de flujo de aire.

Gráfico que muestra el aumento típico de la temperatura de la superficie de montaje del disipador térmico por encima de la temperatura ambiente

Figura 4: Gráfico que muestra el aumento de la temperatura de la superficie de montaje del disipador térmico por encima de la temperatura ambiente (fuente de la imagen: CUI Inc.)

En este ejemplo, se supone que el dispositivo funciona en condiciones de convección natural sin ningún flujo de aire. El gráfico se puede utilizar para calcular la impedancia térmica final, del disipador al ambiente, para este disipador térmico específico. Lo que la temperatura de la superficie aumenta por encima de la temperatura ambiente, dividido por el calor disipado, da como resultado la impedancia térmica en esa condición de operación específica. Aquí, el calor dispersado es de 2.78 W, lo que da como resultado un aumento de la temperatura de la superficie por encima de la temperatura ambiente de 53 °C. La división de 53 °C por 2.78 W dará como resultado una impedancia térmica del disipador al ambiente de 19.1 °C/W.

En cálculos anteriores, la impedancia máxima permitida entre la conexión y el aire ambiente era de 27 °C/W. Al restar la impedancia de la conexión a la caja (0.5 °C/W) y la impedancia de la caja al disipador (0.45 °C/W) se obtiene la tolerancia máxima para el disipador térmico, calculada como 26.05 °C/W, resuelto como 27 °C/W − 0.5 °C/W − 0.45 °C/W.

Para los propósitos de este ejemplo, bajo estas condiciones supuestas, una impedancia térmica de 19.1 °C/W para este disipador térmico cae muy por debajo del cálculo previo de una tolerancia de 26.05 °C/W. Esto se convierte en una temperatura de conexión de silicio más fría dentro del paquete TO‑220, así como en un margen térmico más amplio dentro del diseño. Además, la temperatura máxima de la conexión puede calcularse aproximadamente sumando todas las impedancias térmicas, luego multiplicándolas por el número de vatios disipados en la conexión y, finalmente, sumando el resultado a la temperatura ambiente máxima, de la siguiente manera:

Ecuación 3

El ejemplo que se muestra aquí revela cuán importantes son los disipadores de calor en la gestión térmica de una aplicación. Si se hubiera omitido el disipador térmico, la conexión de silicio dentro del paquete TO‑220 habría excedido el límite nominal de diseño de 125 °C por un amplio margen. El proceso utilizado aquí puede modificarse y repetirse simplemente para ayudar a los diseñadores a seleccionar los disipadores de calor adecuados que tengan el tamaño correcto para una gama de aplicaciones diferentes.

Conclusión

Los disipadores de calor desempeñan un papel importante en el diseño de circuitos debido a que ofrecen una vía eficiente para que el calor se transfiera al aire ambiente y se aleje de los dispositivos electrónicos. Al identificar la temperatura máxima del ambiente junto con la potencia disipada dentro del dispositivo, se puede lograr la optimización de la selección del disipador térmico; ni demasiado pequeño como para causar desgaste, ni demasiado grande como para implicar un derroche de dinero. Además, tenga en cuenta el importante papel que desempeñan los TIM en la transferencia eficiente y constante de calor entre dos superficies.

Finalmente, una vez que se hayan definido los parámetros de la aplicación (la temperatura ambiente, la disipación de potencia y las vías de impedancia térmica), revise el catálogo de disipadores de calor a nivel de placa de CUI para identificar el modelo adecuado para las necesidades de refrigeración del proyecto.

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Acerca de este autor

Aaron Yarnell

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