淺談功放散熱器的計(jì)算與選用

摘 要：電子技術(shù)的飛速發(fā)展給我們提出了新的挑戰(zhàn)，其中就包括熱設(shè)計(jì)，特別是在功放電路中，散熱器設(shè)計(jì)的好壞直接影響到該功放的性能和壽命。本文著重從與功放散熱有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)入手，闡明它們之間的關(guān)系，重點(diǎn)分析散熱器的計(jì)算和選用。

關(guān)鍵詞：功放 散熱器 計(jì)算 選用

任何器件在工作時(shí)都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無需散熱裝置；而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達(dá)到或超過允許的結(jié)溫，器件將受到損壞，因此必須加裝散熱裝置。

一、功放散熱器的計(jì)算

在功放電路中，功放管本身必然消耗一部分功率，從表示效率的公式η=P0/（P0+PC）中也可以看出，其中PC就是管耗，管耗的直接表現(xiàn)是使管子的結(jié)溫升高，達(dá)到一定程度后，若不采取散熱措施就會(huì)造成管子損壞。另一方面，管子允許的功耗和散熱情況有較大的關(guān)系，適當(dāng)?shù)纳崽幚頃?huì)讓管子的功耗提高，能較好地發(fā)揮管子的潛力。下面從與功放散熱有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)入手，闡明它們之間的關(guān)系，重點(diǎn)分析散熱器的選擇和使用。有幾個(gè)重要的參數(shù)必須要掌握。

1.熱阻RT0

熱阻用于描述、理解管子的散熱過程，是指阻礙熱傳導(dǎo)的阻力。三極管的熱阻（RTj）大小通常用℃/mW表示，其意義是每瓦的集電極耗散功率使三極管溫度升高的讀數(shù)。顯然，熱阻越小，表明散熱能力越強(qiáng)，在同樣的環(huán)境溫度下，允許的集電極功耗也就越大，RTj一般可以在手冊(cè)中查到。

除此之外，還有管殼與散熱片之間的熱阻（RTC）和散熱片與空氣的熱阻（RTf）。RTC一般為0.1～0.3℃/W，主要影響因素是三極管和散熱片之間是否有絕緣墊片以及這兩者之間的接觸與緊固程度。RTf取決于散熱的形式、材料和面積。常用的散熱片一般用鋁質(zhì)材料經(jīng)表面氧化后涂上黑色，以提高散熱效果。應(yīng)當(dāng)注意的是，散熱片垂直放置時(shí)要比水平放置更有利于散熱，同時(shí)，計(jì)算散熱片面積是按一面計(jì)算的。下圖是兩種放置情況下RTf和散熱片面積及厚度的關(guān)系?？偟臒嶙鑂T= RTj+RTC+RTf。

2.溫度T

需要考察的有管子的結(jié)溫Tj（一般硅管的結(jié)溫允許150℃，鍺管的結(jié)溫允許90℃）、管殼溫度TC、環(huán)境溫度Ta，顯然，Tj>TC>Ta。加上散熱片后，還有散熱片的表面溫度Tf，計(jì)算時(shí)主要關(guān)心的是Tj和Ta。

a 垂直放置時(shí)

b 水平放置時(shí)

圖 鋁質(zhì)散熱器熱阻RTf和面積S及厚度的關(guān)系

3.三極管允許耗散功率PCM

PCM的大小取決于總的熱阻RT、最高允許結(jié)溫Tj、環(huán)境溫度Ta，它們之間的關(guān)系為PCM RT=Tj-Ta。

計(jì)算功放的散熱可以從上式中得到。上式說明，一定的溫升下，RT越小，表明散熱能力越強(qiáng)，三極管的允許耗散功率PCM就越大；同時(shí)，在一定的Tj和RT下，Ta越低，允許的PCM就越大。利用此式可以計(jì)算小功率管在不同環(huán)境溫度下允許的PCM值，也可以計(jì)算出大功率管在一定的溫度和散熱片面積下，功率管允許的集電極耗散功率PCM，或者在給定的PCM情況下求散熱片的面積。

二、功放散熱器的選用

事實(shí)上，一個(gè)功放中可能有幾個(gè)功放管共用一個(gè)散熱器，同時(shí)少不了加上云母片墊片和涂抹硅脂。我們可以通過測(cè)量和計(jì)算來估算求出散熱器的熱阻，以恰當(dāng)?shù)剡x擇散熱器，避免浪費(fèi)或不足，以下試舉一例談?wù)勆崞鞯倪x擇。

現(xiàn)擬制一款乙類功放，其每聲道輸出功率RMS為50W，用四只功率管（硅管，底板面積均為6cm2，假設(shè)查得RTj為℃/W），加云母墊片（其熱阻設(shè)為每平方厘米2.5℃/W），涂抹硅脂（其熱阻設(shè)為每平方厘米1.5℃/W），環(huán)境溫度Ta設(shè)為40℃，現(xiàn)欲求得散熱器的尺寸，以恰當(dāng)?shù)剡x擇散熱器。

不妨假設(shè)效率η為70%，則PC=P0/η- P0=（50×2）/0.7-50×2≈43W。因?yàn)楣灿兴闹还β使埽使β使艿臒嶙鑂Tj為1÷4=0.25℃/W。從前文已知，RTC與管殼和散熱片之間有無絕緣墊片以及這兩者之間的接觸與緊固程度有關(guān)，那么這里應(yīng)把云母片和導(dǎo)熱硅脂的熱阻考慮進(jìn)去，不難得到云母片的熱阻為2.5÷6÷4=0.1℃/W，涂抹導(dǎo)熱硅脂的熱阻為1.5÷6÷4≈0.06℃/W，即RTC =0.1+0.06=0.16℃/W。我們要的就是通過計(jì)算得到散熱片的熱阻RTf，從而可以由前圖選擇適當(dāng)?shù)纳崞?。?jì)算如下：RT=（Tj-Ta）/PC=（150-40）/43=2.56℃/W，則RTf=RT -RTj-RTC=2.56-0.25-0.16=2.56-0.25-0.16=2.15℃/W。查前圖可以得到散熱器的面積應(yīng)不小于500cm2，厚度為3cm（盡可能垂直放置），在實(shí)際應(yīng)用中，為留有余量，可以在計(jì)算出的數(shù)字基礎(chǔ)上適當(dāng)加大面積。

現(xiàn)在，用功率集成塊制作功率放大器也較為普遍。同樣，功率集成塊的散熱問題也不能忽視，對(duì)于該類集成塊散熱可以用上述方法進(jìn)行估算。例如，用TDA1512制作一個(gè)每聲道輸出功率RMS為12W的小功放電路（設(shè)效率η為60%），通過上述計(jì)算方法，也不難得出如何選擇散熱器。步驟如下。

第一步：計(jì)算PC。PC=P0/η-P0=（12×2）/0.6-12×2=16W

第二步：計(jì)算RTo RT=（Tj-Ta）/PC

=（150-40）/16=6.9℃/W

第三步：得出RTf。TDA1521的背面散熱部分面積約為1.8cm2，得出加云母墊片后的熱阻RTC為1.4℃/W，若集成塊的熱阻RTj為1℃/W，則RTf=RT-RTj-RTC=6.9—1-1.4=4.5℃/W。由前圖查出，應(yīng)該選用面積以每瓦功率加裝面積為10cm2，厚度一般在2～3mm的散熱器。

為了更方便地進(jìn)行選擇，下表給出散熱器面積和熱阻的估算，需要說明的是，當(dāng)散熱器較薄且垂直放置時(shí)，Rti可取表中的上限值；反之，取表中的下限值。

散熱器面積（cm2）100200300400500>600

RTf（℃/W）4.5～63.5～4.53～3.52.5～32～2.51.5～2.5

三、結(jié)語

功放管輸出功率受集電極最大損耗所限，對(duì)功放管散熱，既能提高輸出功率，還能加強(qiáng)功放的性能和延長壽命，所以在涉及功率器件的電路中，應(yīng)充分考慮散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]伍剛.基于熱阻的功放管散熱問題[J].兵工自動(dòng)化，2005（6）.

[2]張彥斌.功率放大器散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[C].中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)2007年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2007.

（作者單位：廣東省珠海市高級(jí)技工學(xué)校）