In einem meiner aktuellen Projekte verwende ich einen MC7805 in einem D2PAK-Paket, um meine Logikversorgung von 5 V aus einer verfügbaren 24-V-Gleichstromversorgung zu generieren. Der von der Schaltung benötigte Strom beträgt 250 mA. Dies führt zu einer Verlustleistung des MC7805 von:
Die Platine muss in ein kleines Kunststoffgehäuse mit dem MC7805 darin eingebaut werden. Die Anordnung ist wie folgt:
So sind beispielsweise Kühlkörper nicht möglich. Auch das Gehäuse selbst hat ein recht kleines Volumen und würde sich erwärmen.
Mein erster Versuch, dieses thermische Problem zu lösen, bestand darin, dem Pad Durchkontaktierungen hinzuzufügen und ein freiliegendes Pad auf der anderen Seite der Leiterplatte zu erstellen. So möchte ich die Wärme an der Außenseite des Gehäuses abführen. Anscheinend war dies nicht gut genug, da der thermische Überlastschutz des MC7805 nach etwa einer Minute einsetzte.
Also habe ich dem freiliegenden Pad auf der Rückseite der Platine einen kleinen Kühlkörper hinzugefügt und jetzt scheint es zu funktionieren (der Kühlkörper wird immer noch ziemlich heiß!).
Neben meinem Versuch-und-Irrtum-Ansatz möchte ich dieses thermische Design ein bisschen besser verstehen und optimieren (derzeit kann ich nicht sagen, wie hoch die Temperatur der Verbindungsstelle wäre, und deshalb weiß ich nicht, wie zuverlässig dies sein würde ).
Ich habe bereits ein paar andere Fragen gelesen , bin mir aber noch nicht ganz klar (selbst wenn ich an Leistung als Strom, Temperatur als Spannung und Widerstände als Wärmewiderstand denke, hat mich das thermische Design immer verwirrt ...) _
Zu diesem Design hätte ich also ein paar Fragen:
Bei der Verwendung von Durchkontaktierungen leitet die Beschichtung der Durchkontaktierung die Wärme, während die Luft in der Durchkontaktierungsbohrung mehr oder weniger isolierend ist. Wenn Sie also nicht mit Lot gefüllt sind, möchten Sie die Kupferfläche der Durchkontaktierungen maximieren, um den Wärmewiderstand von oben nach unten zu minimieren. Da ich die Lötstoppmaske offen hielt, sollten die Durchkontaktierungen mit Lötpaste bedeckt sein und beim Reflow-Löten gefüllt werden. Um den Wärmewiderstand zwischen oberer und unterer Schicht zu minimieren, würde ich davon ausgehen, dass es am besten ist, so viel Lochfläche wie möglich zu haben. Ist diese Annahme richtig?
Gibt es eine "nicht unglaublich komplizierte" Möglichkeit, den Wärmewiderstand zwischen Verbindungsstelle und Bodenplatte zu berechnen?
Wenn nicht, kann ich diesen Wärmewiderstand irgendwie messen (mit einem Temperatursensor?
Da das Top Pad und das D2PAK-Gehäuse auch etwas Wärme abführen. Kann ich diese ( gemäß der Widerstandsanalogie ) parallel schalten? Wie würde das thermische Widerstandsnetzwerk für dieses System aussehen?
Ich möchte dieses thermische Design weiter optimieren.
Ich kann das Gehäuse und die Leiterplatte nicht vergrößern.
Ich kann keinen Fan hinzufügen.
Ich kann die Größe des Top-Layer-Pads nicht erhöhen.
Ich habe die Größe des unteren Pads bereits auf das maximal mögliche Maß von 20 mm x 20 mm erhöht (im obigen Bild sind beide Pads mit 15 mm x 15 mm angegeben).
- Sehen Sie weitere Dinge, die ich optimieren könnte?
Antworten:
Ok, zuerst werde ich versuchen, eine nette kleine Einführung in die Thermotechnik zu geben, da Sie sagen, dass Sie es besser in den Griff bekommen wollen. Es hört sich so an, als wären Sie an dem Punkt angelangt, an dem Sie die Begriffe verstehen, etwas Mathematik gesehen haben, aber ein echtes intuitives Verständnis muss sich erst entwickeln: 'Ah hah!' Moment, in dem die Glühbirne ausgeht, ist noch nicht passiert. Es ist sehr frustrierend, hier zu sein! Mach dir keine Sorgen, du wirst es bekommen, wenn du dran bleibst.
Der wichtigste Teil zum Thema Thermik:
1. Es ist genau wie Einwegstrom. Verwenden wir also das Ohmsche Gesetz.
Der Wärmefluss ist wie der Stromfluss, nur dass es keine Rückführung gibt. Die Wärme fließt immer immer von einem höheren Potenzial zu einem niedrigeren Potenzial. In diesem Fall könnte es sich um Wärmeenergie handeln. Macht ist unser Strom. Und günstigerweise ist Wärmewiderstand ... Widerstand.
Ansonsten ist es genauso. Watt sind deine Verstärker, dein Strom. Und in der Tat ist dies sinnvoll, da mehr Watt mehr Wärmestrom bedeutet, oder? Und genau wie die Spannung ist auch hier die Temperatur relativ. Wir sprechen zu keinem Zeitpunkt von absoluter Temperatur, sondern nur von der Temperaturdifferenz oder der Potentialdifferenz zwischen den Dingen. Wenn wir also sagen, dass es beispielsweise ein Temperaturpotential von 10 ° C gibt, bedeutet dies einfach, dass eine Temperatur 10 ° C heißer ist als die andere, von der wir sprechen. Die Umgebungstemperatur ist unser "Boden". Um all dies in reale absolute Temperaturen zu übersetzen, fügen Sie es einfach zu der Umgebungstemperatur hinzu.
Dinge wie Ihr LM7805, die Wärme erzeugen, sind perfekt als Konstantstromquellen modelliert. Da Strom ein Strom ist und wie ein Konstantstromgerät arbeitet und ständig 4,4 W Wärme erzeugt, ist er wie eine Konstantstromquelle, die 4,4 A erzeugt. Genau wie bei Konstantstromquellen erhöht eine Konstantstromquelle die Temperatur (wie die Spannung einer Konstantstromquelle) so hoch, wie es zur Aufrechterhaltung des Stroms / der Leistung erforderlich ist. Und was bestimmt den fließenden Strom? Wärmewiderstand!
1 Ohm bedeutet wirklich, dass Sie 1 Volt Potentialdifferenz benötigen, um 1A durchzuschieben. Während die Einheiten funky (° C / W) sind, sagt der Wärmewiderstand dasselbe aus. 1 ° C / W entspricht einem Ω. Sie benötigen eine Temperaturdifferenz von 1 ° C, um 1 Watt thermischen 'Strom' durch diesen Widerstand zu drücken.
Besser noch, Dinge wie Spannungsabfälle, parallele oder serielle Wärmekreise, es ist egal. Wenn ein Wärmewiderstand nur ein Teil eines größeren Gesamtwärmewiderstands entlang Ihres Wärmewegs ("Stromkreis") ist, können Sie den "Spannungsabfall" (Temperaturanstieg) über jeden Wärmewiderstand genauso ermitteln wie den Spannungsabfall an einem Widerstand. Sie können sie für die Serien 1 / (1 / R1 .... 1 / Rn) hinzufügen, genau wie Sie es für parallele Widerstände tun würden. Alles funktioniert und ohne Ausnahme.
2. Aber es braucht Zeit, bis es heiß wird!
Das Ohmsche Gesetz ist eigentlich kein Gesetz, sondern war ursprünglich ein kaiserliches Modell, und später wurde klar, dass es nur die DC-Grenze des Kirchoffschen Gesetzes war. Mit anderen Worten, das Ohmsche Gesetz gilt nur für stationäre Schaltkreise. Dies gilt auch für die Thermik. Alles, was ich oben geschrieben habe, ist nur gültig, wenn ein System das Gleichgewicht erreicht hat. Das heißt, Sie lassen alles, was Energie verbraucht (unsere konstanten „Stromquellen“), für eine Weile tun, und so hat alles eine feste Temperatur erreicht, und nur durch Erhöhen oder Verringern der Leistung ändern sich die relativen Temperaturen.
Dies dauert normalerweise nicht zu lange, ist aber auch nicht augenblicklich. Wir können das ganz deutlich sehen, einfach weil die Dinge Zeit brauchen, um sich zu erwärmen. Dies kann als Wärmekapazität modelliert werden. Grundsätzlich wird es einige Zeit dauern, bis sie sich aufgeladen haben, und Sie werden einen großen Temperaturunterschied zwischen einem heißen und einem kühlen Objekt feststellen, bis sie das Gleichgewicht erreicht haben. Sie können sich die meisten Objekte als mindestens zwei Vorwiderstände vorstellen (für einen thermischen Kontaktpunkt und den anderen. Zum Beispiel die Ober- und Unterseite Ihres Pads), zwischen denen sich ein Kondensator befindet. Dies ist nicht besonders relevant oder nützlich in dieser Situation, in der wir uns nur um den stationären Zustand kümmern, aber ich dachte, ich würde es der Vollständigkeit halber erwähnen.
3. Praktische Hinweise
Wenn wir Wärme mit elektrischem Stromfluss gleichsetzen, wo fließt dann auch alles ? Es fließt in die Umwelt. In jeder Hinsicht können wir uns die Umgebung normalerweise als einen riesigen, unendlichen Kühlkörper vorstellen, der eine feste Temperatur beibehält, unabhängig davon, wie viele Watt wir hineinschieben. Das ist natürlich nicht ganz der Fall, Räume können heiß werden, ein Computer kann einen Raum aufheizen. Aber im Fall von 5W ist es in Ordnung.
Der Wärmewiderstand der Verbindung zum Gehäuse, dann zum Pad, Pad an Pad auf der anderen Seite der Platine, unteres Pad zum Kühlkörper und schließlich Kühlkörper an Luft bilden unseren gesamten Wärmekreis und alle diese Wärmewiderstände werden addiert up ist unser wahrer Wärmewiderstand. Diese Graphen, die Sie betrachten, betrachten die Widerstände nur eines Teils des Systems, NICHT des Gesamtsystems. In diesen Diagrammen würde man meinen, ein Quadrat aus Kupfer könnte ein Watt abgeben und nur 50 ° C ansteigen lassen. Dies gilt nur, wenn die Platine magisch und unendlich groß ist und sich niemals erwärmt. Die fragliche Verbindungsstelle ist 50 ° heißer als die Leiterplatte, aber das ist nicht sehr nützlich, wenn Sie die Leiterplatte auf 200 ° C erhitzt haben. Sie haben die Betriebstemperatur in beiden Fällen überschritten.
Die unglückliche Realität ist, dass natürliche Konvektion beim Kühlen von Sachen ziemlich schrecklich ist. Kühlkörper haben eine große Oberfläche, um die Konvektionskühlung zu erhöhen, und sind häufig schwarz eloxiert, um die Strahlungskühlung zu erhöhen (schwarze Objekte strahlen die meiste Wärme ab, während glänzende / reflektierende Objekte fast keine Strahlung abgeben. Genau wie eine Antenne macht es eine gute Übertragung aus beim Empfangen, und deshalb werden dunkle bis schwarze Dinge in der Sonne so heiß, und glänzende Dinge werden kaum heiß (es funktioniert in beide Richtungen). Sie werden jedoch feststellen, dass die meisten Kühlkörper einen ziemlich hohen Wärmewiderstand für natürliche Konvektion aufweisen. Überprüfen Sie das Datenblatt. Oft sind die Wärmewiderstände von Kühlkörpern diejenigen für einen bestimmten Mindest-CFPM-Luftstrom über den Kühlkörper. Mit anderen Worten, wenn ein Ventilator Luft bläst. Natürliche Konvektion wird viel sein schlechter in der thermischen Leistung.
Das Beibehalten der Wärmewiderstände zwischen der Verbindungsstelle und dem Kühlkörper ist relativ einfach. Lötverbindungen haben einen vernachlässigbaren Wärmewiderstand (obwohl Lötmittel selbst zumindest im Vergleich zu Kupfer kein sehr guter Wärmeleiter ist), und Kupfer ist nach Silber an zweiter Stelle (zumindest unter normalen, nicht exotischen Materialien. Diamant, Graphen usw.) wärmeleitender, aber bei Digikey auch nicht verfügbar). Selbst das Glasfasersubstrat einer Leiterplatte ist für die Wärmeleitung nicht ganz schrecklich. Es ist nicht gut, aber es ist auch nicht schrecklich.
Der schwierige Teil besteht darin, die Wärme an die Umgebung abzuleiten. Das ist immer die Drosselstelle. Und warum Engineering so schwierig ist. Persönlich entwerfe ich unter anderem Hochleistungs-DC / DC-Wandler. Effizienz ist nicht mehr das, was Sie wollen, sondern das, was Sie brauchen. Sie MÜSSEN einen prozentualen Wirkungsgrad erzielen, um einen DC / DC-Wandler so klein wie nötig zu machen, da er einfach keine zusätzliche Abwärme abgeben kann. Zu diesem Zeitpunkt sind die Wärmewiderstände der einzelnen Komponenten bedeutungslos und auf einer Kupferplatte ohnehin fest miteinander verbunden. Das gesamte Modul erwärmt sich, bis es das Gleichgewicht erreicht. Kein einzelnes Bauteil wird theoretisch über genügend Wärmebeständigkeit verfügen, um sich zu überhitzen, aber die gesamte Platine als Massenobjekt kann sich erwärmen, bis sie sich selbst entlädt, wenn dies möglich ist. '
Und wie ich bereits sagte, ist natürliche Konvektion wirklich sehr schrecklich , wenn es darum geht, Dinge zu kühlen. Es ist auch in erster Linie eine Funktion der Oberfläche. Eine Kupferplatte und eine Leiterplatte mit der gleichen Schaltkreisfläche haben also sehr ähnliche Wärmewiderstände wie die Umgebung. Durch das Kupfer wird die Wärme überall gleichmäßiger, aber es kann nicht mehr Watt als Glasfaser abgeben.
Es kommt auf die Oberfläche an. Und die Zahlen sind nicht gut. 1 cm ^ c entspricht einem Wärmewiderstand von etwa 1000 ° C / W. Eine relativ große Leiterplatte mit den Abmessungen 100 mm x 50 mm besteht also aus 50 Quadraten mit jeweils einem Quadratzentimeter und einem parallelen Wärmewiderstand von 1000 ° C / W. Die Beständigkeit dieser Platine gegenüber Umgebungstemperaturen beträgt 20 ° C / W. Bei 4,4 W spielt es also keine Rolle, was Sie auf dem Board tun, wie groß die Pads sind, welche thermischen Durchkontaktierungen Sie verwenden oder was nicht. 4,4 W erwärmen die Platine auf ca. 88 ° C über der Umgebungstemperatur. Und daran führt kein Weg vorbei.
Kühlkörper falten viel Oberfläche auf ein kleines Volumen. Wenn Sie einen solchen verwenden, wird der Gesamtwärmewiderstand verringert und alles wird weniger heiß. Aber alles wird sich erwärmen. Bei einem guten thermischen Design geht es nicht nur darum, den Wärmefluss zu steuern, sondern auch darum, ihn aus Ihrem Widget zu entfernen.
Sie haben mit Ihrem Kühlkörper- und Gehäuse-Setup ziemlich gute Arbeit geleistet. Aber Sie sind besorgt über die falschen Dinge. Es gibt keine einfache Möglichkeit, den Wärmewiderstand des Pads über die Leiterplatte zu berechnen, aber es dauert nur etwa 17% der Fläche eines Pads, die für Durchkontaktierungen vorgesehen ist, bevor Sie hart auf die nachlassende Rendite treffen. Wenn Sie in der Regel 0,3-mm-Durchkontaktierungen mit einem Abstand von 1 mm verwenden und das Wärmeleitpad auf diese Weise füllen, erhalten Sie die bestmögliche Leistung. Tun Sie das einfach, und Sie haben keinen Grund, sich jemals Gedanken über den tatsächlichen Wert zu machen. Sie kümmern sich um das System als Ganzes, nicht um eine Abzweigung.
Sie hatten ein Problem, bei dem der Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zur größeren Leiterplatte und den Oberflächen, die die Wärme an die Umgebung abgeben würden, zu hoch war und das Bauteil überhitzte. Entweder konnte sich die Wärme nicht schnell genug auf den Rest der zerstreuenden Oberfläche ausbreiten, oder sie konnte sich ausbreiten, aber es war nicht genug Oberfläche vorhanden, um sie schnell genug an die Umgebung abzuleiten. Sie haben beide Möglichkeiten angegangen, indem Sie einen Wärmepfad mit niedriger Impedanz vom LM7805 zum Kühlkörper angegeben haben, der selbst mehr Oberfläche und viele zusätzliche Stellen für den Wärmeabtransport bietet.
Das Gehäuse, die Leiterplatte usw. werden natürlich irgendwann immer noch warm. Sie folgt ebenso wie der elektrische Strom allen Pfaden, die proportional zum Widerstand sind. Durch den geringeren Gesamtwiderstand muss der LM7805 als thermische „Stromquelle“ nicht ganz so heiß werden, und die anderen Pfade teilen die Leistung („Strom“) zwischen ihnen auf, und der Pfad mit dem niedrigsten Widerstand (der Kühlkörper) wird proportional dazu heisser. Sie halten alles andere auf einer niedrigeren Temperatur, indem Sie einen bevorzugten Wärmeweg durch den Kühlkörper bereitstellen. Aber alles andere wird immer noch mehr oder weniger helfen und sich auch noch aufwärmen.
Zur Beantwortung Ihrer speziellen Fragen zum Aufzählungspunkt: Sie müssen den Wärmewiderstand der Verbindung zum unteren Pad nicht messen und wissen, dass dies keine nützlichen Informationen sind. Es wird nichts ändern, und Sie können es nicht wirklich über das hinaus verbessern, was Sie ohnehin haben.
quelle
Es ist nicht ratsam, einen Linearregler zu verwenden, bei dem so viel Leistung verloren geht. Ihre Leiterplatte wird wie eine Heizung sein. Dies bedeutet, dass ab 5,52 Watt Leistung nur 1,15 Watt Nutzleistung sind, die Sie auf einen Wirkungsgrad von 20,8 Prozent bringt. Welches ist erschreckend niedrig.
Können Sie die Effizienz steigern? Ja natürlich. Wenn Sie eine 110 / 230VAC-Quelle verwenden, können Sie die Spannung mit dem Transformator auf eine geeignetere senken, sie später in 12VDC umwandeln und als Eingang verwenden. Dann können Sie 1,15 Watt von 2,76 Watt verwenden, was Ihnen einen Wirkungsgrad von 41,7 Prozent bringt. Absenken der Eingangsspannung hilft. Natürlich muss man sich darüber im Klaren sein, dass sie auch als Low-Dropout-Spannungsregler (LDO-Spannungsregler) nicht sehr effektiv sein können. Sie sollen das tun, weil an Teilen des Reglers ein Spannungsabfall auftritt. Ich würde den Regler nur verwenden, wenn der Energieverlust sehr gering ist und ich eine schnelle Lösung haben möchte.
Wie ich sehe, ist dieser Vorschlag wahrscheinlich keine Option, da Sie bereits eine 24VDC-Quelle haben. Naja, dann würde ich einem immer empfehlen, Schaltregler zu verwenden. Es gibt so viele von ihnen von vielen Herstellern - Linear Technology, Maxxim, TI, usw. Die meisten von ihnen fügen einige Schaltpläne bei, die eine nützliche Anleitung sein können. Viele von ihnen funktionieren ohne weitere Anpassungen. Stellen Sie einfach sicher, dass Sie die Datenblätter richtig lesen und die Komponenten so platzieren, wie sie platziert werden sollen. Möglicherweise erzielen Sie eine Effizienz von 90 Prozent oder mehr.
quelle
Ohne sich zu viele Gedanken zu machen, kamen uns ungefähr
10111213 in den Sinn.Anscheinend verwenden Sie das On Semi nach dem von Ihnen verwendeten Wärmebild.
Was sind beim Betrachten des Datenblattes die wichtigsten Merkmale?
Für dieses Gerät gibt es zwei.
Thermal Pad Bereich
Auf Semi's war mit 73% die Größe von STS kleiner.
Wärmewiderstand der Verbindungsstelle zum Gehäuse
STS hatte 40% weniger Wärmewiderstandsübergang zum Wärmeleitpad als On-Semi.
Dünne Leiterplatte
Einfache Verdoppelung oder Verdreifachung der Wärmeleitfähigkeit von Thermal Via.
Wärmeleitfähigkeitsformel
d Entfernung
Machen Sie die Leiterplatte dünner (Abstand kleiner) und erhöhen Sie die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Durchkontaktierungen.
Laminatdicke: 0,003 "bis 0,250"
Aktuelle Leiterplattendicke 0,062
Die Reduzierung auf 0,031 kostet nichts und Sie verdoppeln Ihre Wärmeleitfähigkeit.
Das 370HR-PCB-Material ähnelt FR4 mit höherer Temperatur, ist jedoch in einer Stärke von 0,020 bei einer sehr günstigen Aufladung erhältlich, die die Leitfähigkeit verdreifacht .
Mit Kupfer und Silber gefüllte Durchkontaktierungen
Leiterplattenhersteller verwenden seit einiger Zeit kupfergefüllte Mikro-Vias.
Kupfer leitet besser als Luft.
Kupfer oder Silber
Thermisch epoxidgefüllte Durchkontaktierungen
Wenn Kupfer für Ihren Anbieter und Ihr Taschenbuch nicht funktioniert, füllen Sie die Durchkontaktierungen mit Standard-Thermoepoxid. Die Leitfähigkeit von thermischem Expoxid verbessert sich ständig.
Nichtleitende Füllstoffe haben eine Wärmeleitfähigkeit von 0,25 W / mK, wohingegen leitende Pasten eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 3,5 und 15 W / mK haben. Elektroplattiertes Kupfer weist dagegen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 250 W / mK auf.
Thermische Einkapselungsmittel
Sie können die Platine in wärmeleitende Materialien einkapseln. Besser als Luft. Mean Well macht das mit ihren Netzteilen wie der HLG-Serie.
MCPCB
Metallkern PCB
Jemand erwähnte Aluminium PCB. Niemand erwähnte Kupfer-PCB, einige der PCB-Materiallieferanten von Aluminium liefern Kupfer anstelle von Aluminium.
Festes Kupfer
Blankes Kupfer
Ihr Wärmeleitpad ist HASL-beschichtet. Warum nicht Kupfer blank?
Die meisten sorgen sich um Kupferoxidation. Mir gefällt Oxidation. Nennen Sie mich verrückt, aber der Emissionsgrad von Kupfer beträgt nur etwa 0,04. Das ist für poliertes Kupfer, oxidiertes Kupfer ist 0,78, genau wie oxidiertes Aluminium.
Berechnen Sie, wie viel ein Kupferkissen verbraucht.
Geben Sie die Leistung des Bauteils ein, und geben Sie die Temperatur für den Kupferbereich ein.
Wärmeverteiler Flugzeuge
Interne Schichten können mit vergrabenen Durchkontaktierungen verwendet werden, um Ausbreitungsebenen zu erstellen. Das Konzept der thermischen Durchkontaktierungen beruht auf inneren Schichten, die als Wärmeverteiler verwendet werden
Fall Emissionsgrad
Das Gehäuse könnte aus einem Polymer mit hoher Wärmeleitung und hohem Emissionsvermögen hergestellt sein.
Wärmeleitende Polymere
Lüftungslöcher
Bohren von Löchern in die Leiterplatte für den Umlauf. Lüftungsöffnungen im Gehäuse.
Orientierung
Ihre Box ist verkehrt herum.
Kühlkörper auf der Unterseite sind die schlechtesten. Seite oder oben viel besser.
Dieses passiv gekühlte 500-Watt- Gerät mit einer
Größe von 25,0 Zoll ( L x 15 Zoll ( B x 3 Zoll ( H))) brachte den Kühlkörper oben auf dem Gerät an.
Switcher
Dies war keine Aufgabe für einen Linearregler. Sie würden diese Probleme nicht haben, wenn Sie einen Switcher verwenden. Ich würde denken, jemand hat einen Umschalter in ein 78xx-Gehäuse oder kleiner gelegt. Sie sind da draußen und preiswert.
SIMPLE $ 2.00 SWITCHER MIT KLEINEN 10μH Inductor
24V in 5 V out , 250mA
Stückliste
Warum kein Fan?
Niemand mag Fans. Warum?
Dieser zählt nicht zu meinen zehn Ideen.
Der Grund, warum "natürliche Konvektion beim Kühlen von Dingen wirklich schrecklich ist", ist, dass sie einen Luftstrom benötigt. Und es braucht nicht viel. Nur ein kleiner Luftstrom verbessert die Situation erheblich.
Ich habe einige Experimente mit diesen winzigen 30db (A) -Lüftern durchgeführt. Einer hat einen Durchmesser von 4,5 cfm, 0,32 Watt und 40 mm und der andere einen Durchmesser von 13,2 cfm, 0,34 Watt und 60 mm.
Laufen die LED bei 20 Watt, 13,2 cfm Lüfter
61,2 ° C vs. 44,6 ° C mit Lüfter
Ich habe den obigen Lüfter mit einer 90-Watt-LED getestet. Armes Ding, die Anschlusspads sind bisher zweimal abgeschmolzen. Die Sache ist durch die Hölle gegangen und hat als 80 Watt angefangen. Benutzt und missbraucht.
Die LED ist an einer Kupferschiene 1 "x 0,125" x 12 "montiert.
Ich würde den Lüfter auf die Rückseite der Kupferleiste über der LED legen.
Das senffarbene Ding ist ein Thermometer.
Dieses Netzteil ist eines der mit thermischem Epoxidharz gekapselten. Die gehen bis zu 600 Watt, kein Lüfter. 7 Jahre Garantie.
Übrigens habe ich verschiedene Thermistoren ausprobiert und ich mag das vergossene Vishay NTCLG-Glas.
Auf dem zweiten Foto mit der LED befindet sich ein roter Kreis, dort befindet sich ein hässlicher Thermistor, aber es ist ein Kreis, um auf das Wärmeleitpad für eine Phillips Luxeon Rebel LED hinzuweisen. Die LED auf dieser Platine sind Cree XPE. Unterhalb des Kreises befindet sich ein Luxeon, in sehr trauriger Form, verbranntes Opfer.
Jetzt funktioniert diese thermische Durchkontaktierung zur gegenüberliegenden Seite des Board-Konzepts bei mir nicht. Das empfiehlt jeder LED-Hersteller. Mir wird nicht gerne gesagt, was ich tun soll.
Wie Sie sehen, habe ich es trotzdem getan.
Die thermischen Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte (blauer Kreis)
So gut war diese thermische Durchkontaktierung.
Die letzte Zeile erklärt alles. 375 mA und 129 ° C.
Die Cyansäule ist photosynthetisch aktive Strahlung. Der beste Wirkungsgrad war bei einer Temperatur von 45-50 ° C bei 3,5 PAR / Watt, jedoch nur bei 100 mA, was 1/10 der Nennleistung von 1 Ampere entspricht. Thermovias werden es also nicht schneiden.
Hier ist, wo ich mit all dem hingegangen bin
Der Weg des geringsten Widerstands verläuft NICHT durch die Rückseite der Platine.
Die Platine ist dünn (0,31) und unter der Kupferschiene schwer zu erkennen. Die Schrauben gehen durch die großen Griffe im Wärmeleitpad.
Das LED-Wärmeleitpad ist auf der Oberseite mit reichlich Kupfer verlötet. Der Wärmewiderstand eines 2-4-Unzen-Kupferpads ist viel geringer als bei FR4 mit thermischen Durchkontaktierungen.
Also montiere ich die Platine auf eine Kupferschiene. Der hier abgebildete Kupferstab ist 0,62 "dick und 0,5" breit. Ich habe viele Sorten mit und Dicke, die ich getestet habe.
Dies sind Cree XP-E Deep Photo Red 655nm.
Hier hört es nicht auf.
Diese mit Luxeon Rebel ES Royal Blue 450-nm-LEDs hat einen 0,125-Zoll-dicken Balken.
DER WEG DES WENIGSTEN WIDERSTANDES IST ...
Der Weg des geringsten Widerstands ist also
Ja Kupferrohr, 1/2 "Wasserrohr.
Das schwächste Glied ist das PCB-Kupferpad. Es ist dünn
Auf der rechten Seite des Kupferrohrs befindet sich ein Rohr, das mit Wasser gepumpt wird.
Der Wasserturm
Die Steigleitung rechts enthält den Schlauch, der das Wasser vom unteren Behälter zum oberen Wassertank pumpt.
War es das wert?
Wenn die Platine, die bei 350mA (129 ° C) verbrannt wurde, bei 700mA (Imax) läuft und sich Kondenswasser darauf bildet, denke ich, dass es sich gelohnt hat.
Umgebungstemperatur 23 ° C, 30 Watt PCB, LED-Gehäusetemperatur 21 ° C
quelle
Ihre Analyse der thermischen Konfiguration scheint etwas unvollständig zu sein - insbesondere im Hinblick auf die Kupfer-Luft-Grenzfläche.
Sie können das Problem wie einen Widerstandsteiler behandeln. Ihre Verbindung zur Luft ist die Spannung (z. B. 70) und der Strom ist die Leistung, die Sie zum Ableiten benötigen (4.5). Ihre gesamte thermische Lösung muss 15 Grad / Watt oder weniger liefern. Dies ist die Summe aller Teile in Serie, Verbindungskupfer1, Kupfer1-Kupfer2, Kupfer2-Luft.
Wie Sie der von Ihnen angegebenen Abbildung entnehmen können, kann das Gerät auf einer einfachen Kupferebene nur schwer über 3 W betrieben werden (auch mit einer größeren Ebene), da der Wärmefluss über die Ebene erheblich zu werden beginnt. Dies zu berechnen ist nicht trivial.
In Ihrem Szenario leitet nur die Rückseite der Leiterplatte die Wärme effektiv ab (es kann eine Weile dauern, bis sich die Oberseite im Gleichgewicht befindet, aber dann absorbiert sie keine Energie mehr). Betrachten Sie nur die Rückseite. Möglicherweise werden 0,5 W durch die Abdeckung geleitet (sehen Sie dies als ein paralleles Netzwerk an), aber der Widerstand ist hoch und alle Ihre Komponenten werden warm gehalten.
Schon jetzt sehen Sie, dass Sie für den Kühlkörper mehr als 15 Grad / Watt benötigen. Wahrscheinlich sind 10 Grad / Watt ein guter Ausgangspunkt, um ungefähr herauszufinden, was dies für einen passiven Kühler bedeutet (und jeder konvektive Luftstrom kann einen Unterschied machen). Dies impliziert bereits eine Kühlkörperoberfläche, die 45 Grad über der Umgebungstemperatur liegt.
Um die Wirksamkeit Ihres Via-Pads beurteilen zu können, müssen Sie den Temperaturabfall zwischen den beiden Seiten der Leiterplatte messen. Dies kann sich an der freiliegenden Kante des Pads befinden, ist jedoch wahrscheinlich viel geringer als der Wärmewiderstand des Kühlkörpers. Wenn Sie eine Leistung von vielleicht 2 W anstreben, ist dies für das Ergebnis von größerer Bedeutung, aber Sie wissen bereits, dass Sie eine Art Kühlkörper benötigen.
quelle
Ein häufiger Fehler, den Menschen machen - sie simulieren nicht oder sehen sich die Personensimulationen anderer an. Jedes Design, das auf der Wärmeleitung von PCB-Kupfer basiert, ist im besten Fall auf etwa 2 W begrenzt. Dies liegt daran, dass der Kupferquerschnitt sehr klein ist. In der Simulation sieht es trotz riesiger Kupferpads mit vielen Durchkontaktierungen wie ein Hotspot um das heiße Element aus.
Ich kann vorschlagen, entweder einige handelsübliche Kühlkörperprodukte zu verwenden oder die Leiterplatte aus Aluminium (Metallkernplatine) zu verwenden. In jedem Fall besteht die Strategie darin, die Luftkontaktfläche zu maximieren und gleichzeitig den "Wärmewiderstand" zwischen der Verbindungsstelle und jedem Punkt des Kühlers zu verringern (tatsächlich die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern).
quelle
Da Sie viele Fragen in einem Beitrag zusammengefasst haben und andere Ihre anderen Fragen beantwortet haben, gebe ich nur eine teilweise Antwort.
Sie kennen die durch die Grenzfläche fließende Wärme (~ 4,4 W). Wie eine andere Antwort sagte, wenn Sie warten, bis sich das System ausgeglichen hat, ist die Wärme, die durch die Leiterplattenoberseite austritt, ziemlich gering.
Setzen Sie einen Thermistor so nah wie möglich an der Schnittstelle zwischen Gehäuse und Platine auf die Platine. Legen Sie einen anderen auf die Rückseite des Brettes darunter. Jetzt können Sie messenΔT .
Jetzt können Sie den Wärmewiderstand der Platine zumindest grob schätzen, indem Sie eine durch die andere teilen.
quelle
Da Sie bereits Antworten auf Ihre Fragen haben, möchte ich eine "praktische" Lösung vorschlagen .
Stellen Sie den Regler außerhalb des Kunststoffgehäuses. Auf diese Weise wirkt sich die erzeugte Wärme nicht auf die Komponenten im Kunststoffgehäuse aus und kann leichter abgeführt werden, da weniger "Barrieren" durchgelassen werden müssen.
quelle