在一个电子产品不断增加的世界里，我们的生活不断受到一些包含了某种发热电路的设备的影响。当涉及到在正常运行过程中以热量形式耗散功率的电子器件时，经常需要管理这些热量，以确保组件不超过其最大允许温度。
管理功耗最常见的方法之一是使用散热器。散热器被广泛应用于各种电子产品，从cpu到电机驱动器。
在本文中，我们将向您介绍散热器和散热器设计的基础知识，包括为您的应用程序定义合适的散热器所涉及的计算。在我们正确的散热器设计示例中，我们将使用常见的L298（multiwatt15）全桥驱动器，因为该芯片在其范围上限工作时会变得非常热。
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什么是散热器?
散热器是一种机械部件，它附着在电子部件上，以便将电子部件的热量传递到周围环境中。这种环境最常见的是空气，但也可以是其他流体，如水或冷却剂。散热器通常由数控铝或铜，并有鳍片或销钉的工作，以增加组件的表面积，以加速传热到周围的流体。下图展示了鳍(右)和针(左)型散热器。
正如我们所看到的，散热片的表面积要比它所依附的平面组件大得多。制造散热器的金属材料的导热系数也比典型电子元件的塑料包装高得多。本文将使用一个真实的例子来说明散热器背后的数学原理。它可能有助于读者审查数据表的L298双全桥驱动器，以帮助跟随。
确定需要散热片
我们知道散热片的作用，但为什么我们需要它们呢?组件变热真的有问题吗?答案是肯定的。电路有一个最高工作温度，通常被称为最大结工作温度(T op)。L298在数据表中将其指定为130°C。我们不能超过这个温度，否则可能发生损坏。我们还知道，该组件在标准操作期间将产生热量，并将在给定环境温度的环境中运行。这意味着我们必须找到一种方法来量化正常操作过程中产生的热量，以及这将如何影响我们周围环境的操作温度。幸运的是，我们有公式来帮助我们。下面的公式定义了我们可以耗散的最大功率，给定一些已知的变量:
地点:
对于室内的开放式电子设备，环境温度为室温，但对于与其他产热设备封闭的项目，环境温度可能更高。如果在夏季炎热的阳光下，在室外安装发热装置，它的温度甚至会更高。
热阻是一个值，它定义了元件内每瓦特功率耗散的温升量。如果我们查看L298的数据表，我们可以看到从结到周围环境的热阻是35 C/W。这意味着每耗散一瓦，芯片的温度就会升高35度。如果我们把这些值代入上面的公式，我们得到:
然而，我们知道芯片的额定电压为每通道2A，输入电压为46V。这里是92瓦，对吧?虽然这对总输入功率来说是正确的，但并不是所有的功率都被芯片中的热量消耗掉了。这个计算将在下面介绍，但是可以肯定地说，芯片需要消耗超过3.06W的热量才能接近最大额定电流。
散热器大小的计算，L298最大功率
如上所述，我们将通过一个真实的L298示例深入分析这个分析。我们将按逻辑顺序来做，但并不总是按这个顺序来，这取决于你所掌握的信息。在我们的例子中，我们将从描述组件开始，然后进入散热器的选择。
集成电路中的功耗
组件中消耗的功率不是全工作负载，但我们可以通过查看数据表来确定其实际功率。在下图中，我们可以看到L298在最大持续电流为2A时的压降为4.9 V，在1A时的压降为3.2 V。
这分别等于9.8瓦和3.2瓦。我们已经看到，如果在室温环境下运行1A，芯片会过热。这就需要一个散热器，即使在1A连续。
热阻
之前，我们在其中一个方程中提到了热阻。热阻是一个变量，用来描述在组件包中存在的相对传热阻力。对于最初的例子，我们使用35C/W作为热阻，因为这是数据表为组件指定的。然而，热阻不仅仅是这个数据表的值。如果你看下面摘录的数据表，我们可以看到还有一个值的热电阻从结到外壳。
这描述了热如何从结传递到外壳，但忽略了从外壳到周围环境的热传递。这就是下一个变量(Rth j-amb)发挥作用的地方。然而，如果我们使用散热器和热化合物，我们可以改善向周围空气的传热。我们最终得到的是一个热电阻系统，它需要低于原始组件对环境的总电阻(35℃/W)。下图(不是L298)说明了散热器组件的不同热阻来源。
我们可以看到，热量将不得不通过外壳，热化合物，或粘合剂(由蓝色虚线表示)，然后通过散热器到空气。需要注意的是，我使用术语“热化合物”来代表任何热界面材料，如膏体、油脂粘合剂或垫。因为我们有多个电阻，所以系统的总热阻将是这三个源的总和。也就是说，我们需要用下面的公式来确定我们新的热阻:
现在我们知道了热阻如何影响我们的设计，我们需要计算负载情况下所需的热阻，以确定哪个散热器可以工作，或者是否存在。
计算散热所需的热阻
如果你回想一下第一个方程，我们解出了最大功耗。我们可以重新排列这个方程，以确定已知功率耗散所需的热阻，如下所示。
利用这个方程，我们可以看到，对于1A，我们需要33.4 C/W，对于2A，我们需要更好的热阻10.9 C/W。我们还知道，这个热阻将由三个组件组成的系统驱动，所以让我们看看我们能否在下一节中实现这一点。
选择散热器和化合物
在这三个电阻中，我们实际上只能控制最后两个，因为元件的热阻是由制造商定义的。如果我们把它写成一个方程式，我们知道对于1A和2A应用，散热器和热化合物的组合热阻表示如下所示：
现在，我们需要看看我们对热化合物和散热器的选择。下表详细介绍了几种热化合物及其各自的电阻，这些电阻是根据尾场热解．
我们可以看到122系列的化合物给出了较低的热阻，但它们都在或低于0.5 C/W，所以我们选择这个作为保守值。接下来，我们可以从上面方程的值中减去热阻，从而得出散热器的合适热阻。下面用数字表示:
因此，我们需要一个散热片，1A的热阻为29.9 C/W或更小，2A的热阻为7.4 C/W或更小。现在，我们可以开始搜索我们的供应商，看看这个散热器是否可用，或者我们是否需要减少最大操作负载。幸运的是，AAVRID6400BG的热阻只有2.7C/W，这符合我们的两个标准。我们的总热阻现在等于：
最终的计算
现在我们已经选择了散热器，让我们看看方程式，以获得两种负载情况下芯片最高温度的估计值。我们将重新排列我们的第一个方程式，以获得具有新工作温度的工作温度，如下所示：
虽然这是一个很好的开始，而且它让我们对我们为热管理解决方案所选择的设置有信心，但测试这个配置很重要。这可以通过在最大预期载荷下运行部件，并监测温度，以确定它是否符合预期。
影响散热器性能的其他因素
即使您认为您的散热器设计完美，也可能无法获得组件所需的最低温度。还有其他降低温度的方法，与散热器一起工作。一些关键变量包括：
热复合条件-我们不仅想要一种性能良好的热复合材料，我们还想确保它的厚度仅为填补组件和散热器之间的间隙所需要的厚度。如果间隙太厚，可能会减缓传热。
自然对流和强制对流–由于散热器的工作原理是将热量分散到周围的空气中，因此可以通过平行于散热器散热片移动空气来改进该过程。这将降低散热器的有效热阻，同时确保环境空气保持较低的温度。同样，如果散热器封装在一个非常小的封装中，且气流受限，自然对流会受到阻碍，可能会降低散热器的效率。
这些因素是在大规模使用或生产之前测试配置的另一个原因。
主要收获
选择合适的散热器是确保设计可靠运行的一个重要因素。这篇文章中的公式和例子应该让你知道如何改进产品的热管理。请务必下载我们的自由热沉计算器应用你的技能，如果你想推动热管理的极限，我鼓励你采取下一步，阅读更多关于传热和流体动力学。
