概述

    我们在设计一些功率电路时往往需要考虑散热问题，用多大的散热片，能达到什么样的散热效果，之前都靠“经验”。但“经验”往往不是那么准确，用大了显得浪费，用小了要改版更为麻烦， 因此有必要对这些散热片做一个定量的测试。这样，在设计之初，就能大概知道其效果了。

    散热器的散热效果可以用热阻来描述。热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。

R=(T2-T1)/P        公式1

    上式中，T2为物体一端的温度、T1为物体另一端的温度，P为热源的功率。

测量原理

    我们先来测量一下TO-220封装不带散热片时的从其金属基片到周围空气之间的热阻。发热器件为一颗TO-220封装的13005三极管，电源为电压和电流均可调节的实验电源，R2为测量温度用的热敏电阻。

图1  测试原理图

    器件型号

• R1 100Ω/2W;
• R2 MF52AT热敏电阻, 10KΩ@25℃，B值3950。
• R3 8.2Ω/0.125W。
• R4 0.22Ω/2W。
• Q1 MJE13005。

    图2为电路实物，手头没有100Ω/2W的电阻，用了一枚100Ω/5W的水泥电阻代替，热敏电阻(图中红圈位置)用502胶水粘在TO-220的金属基片上。

图2  TO-220热阻测量实物

    MF52AT热敏电阻阻值和温度的关系为

T=1/(1/298-Ln(10/R)/3950)-273        公式2

    式中R为热敏电阻实际测量的阻值(单位KΩ)，Ln为自然对数符号。

    步骤一，通电前先测量R2的阻值，根据公式2计算出当前环境温度T1，在本次实验中测得R=15.23(KΩ),T1=15.83℃。

    步骤二，调节实验电源的输出电压为12V，限制电流从0~300Ma逐步调整，待电流在某一值上稳定3分钟后，测量R4两端的电压记为Ue，测量13005C、E极简的电压Uce，和R2的阻值。计算结果填入下表。

表1：

    注：如果没有实验电源，可以用一个12V/2A的普通稳压电源代替，但R1需要改为200Ω可调电阻，通过调整R2来改变工作电流，R4的阻值也可适当增加，以便提高稳定性。

常用散热片测试

图3  常用散热片

    给13005加装图中散热片后再次测试，获得如下结果

表2(黑色散热片25x19x8mm)：

表3(银色散热片20x15x10mm)：

铝壳散热测试

    开关电源常用其铝壳作为散热器，图4为一种30W开关电源的外壳(尺寸:143x58x41mm)，其上固定安装了两个功率原件(热源)，我们假定两个热源均是TO220封装的，热源的功率也是一样的，看看它的散热效果如何？

图4  铝壳散热测试实物图

    两个热源均由13005晶体管组成，其电路如图5所示

图5  铝壳散热测试电路图

    测试获得如下结果

表4(开关电源的外壳)：

结果分析

    从表1可以看出，TO220散热基片到开放空间空气之间的热阻约40℃/W，如果周围环境温度为45℃，器件功耗2W的话，器件金属基片上的温度将达到45+40*2=125℃,芯片内部温度更高，已达半导体器件的工作极限。 而同等条件下，如果安装上一片表3所示的小形散热片，金属基片上的温度=45+25*2=95℃，可安全地工作。

    从表4可以看出，基片到空气的热阻约7℃/W，如果两个管子的功耗均为10W，则基片和环境温度差为70℃，如果环境温度为45℃，基片温度达115℃，如果芯核到基片的热阻是1℃/W的话， 芯核温度将达到125℃，已达工作极限。