การกระจาย 1W ใน TO-220 โดยไม่ใช้ฮีทซิงค์

TO-220 ที่ไม่มีฮีทซิงค์สามารถกระจายได้ 1W ในอากาศหรือไม่?

หรือวิธีการถามคำถามที่แตกต่างคือ: หากอุณหภูมิแวดล้อม 25C ฉันจะคำนวณพลังงานสูงสุดที่ฉันสามารถกระจายใน MOSFET แบบแพคเกจ TO-220 ได้อย่างไร MOSFET คือFDP047N10ถ้ามีประโยชน์ มันจะจัดการกับ 12.5A ของกระแสอย่างต่อเนื่อง (เช่นไม่มีการสลับ)

ฉันต้องการเข้าใจถึงความแตกต่างในการกระจายพลังงานของ MOSFET ที่เปิดอย่างต่อเนื่องเทียบกับ MOSFET ที่สลับที่ 100KHz (รอบการทำงาน 50%)

คำถามสุดท้ายข้อหนึ่ง: ถ้าฉันขนาน MOSFET สองตัวเพื่อลดการกระจายพลังงานต่อ FET มีอะไรที่ฉันสามารถทำได้เพื่อให้แน่ใจ (หรือเพิ่มความน่าจะเป็น) ว่าทั้งสองจะให้พลังงานเท่ากันหรือไม่

ตอบคำถามที่สองของคุณ:

การสลับ MOSFET จะมีการสูญเสียสองประเภท; การนำและการสลับ การสูญเสียการนำไฟฟ้าคือการสูญเสีย$I_D^2 \times R_{DS(on)}$ตามปกติ หากคุณควบคุม MOSFET เพื่อให้วงจรทำงาน 50% การสูญเสียการนำไฟฟ้าคือ 50% ของการสูญเสีย DC (เปิดตลอดเวลา)

การสูญเสียการสลับรวมถึงปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการควบคุมเกตและการสูญเสียในอุปกรณ์เนื่องจากจะเปลี่ยนจากสถานะ on-off เป็น off-state เมื่อคุณเปิด MOSFET จะมีช่วงเวลาที่เริ่มไหลและแรงดันไฟฟ้าV D Sยังคงสูงสุด V D Sอยู่ในขณะที่แชนเนล MOSFET อิ่มตัว กำลังไฟฟ้าที่ใช้ในช่วงเวลานี้เรียกว่าการสูญเสียแบบเลี้ยวต่อเนื่อง ในทำนองเดียวกันที่เปิดปิดมีช่วงเวลาที่V D Sเพิ่มขึ้นก่อนที่ผมDเริ่มลดลงซึ่ง (ไม่น่าแปลกใจ) เรียกว่าเปิดปิดการสูญเสีย$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

คุณต้องพิจารณาถึงความสูญเสียในการเปิดและปิดเมื่อคุณกำลังพูดถึงการทำงาน 100kHz เป็นไปได้มากว่าคุณจะเห็นพลังงานน้อยกว่าสภาวะ DC แต่คุณจะไม่ประหยัด 50%

ตอบคำถามที่สามของคุณ:

MOSFET มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก - อุ่นจะได้รับที่สูงกว่าR D S ( o n )ได้รับ หากคุณเชื่อมต่อ MOSFET สองตัวพร้อมกันกับลักษณะที่คล้ายกัน (เช่นหมายเลขชิ้นส่วนเดียวกันจากผู้ผลิตรายเดียวกัน) ให้พวกเขาขับแบบเดียวกันและไม่มีความไม่สมมาตรขนาดใหญ่ในโครงร่าง PCB ของคุณ MOSFET จะแบ่งปันกระแสค่อนข้างดี ตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่า MOSFET แต่ละตัวมีตัวต้านทานอิสระในซีรีย์แต่ละประตู (ไม่เคยเกตประตูคู่ขนานที่ไม่มีตัวต้านทาน) เนื่องจากเกตที่เชื่อมโยงโดยตรงเข้าด้วยกันสามารถโต้ตอบกันอย่างประหลาดได้แม้กระทั่งสองสามโอห์มก็ดีกว่าไม่มีอะไรเลย$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

นี่คือวิ: ทำคณิตศาสตร์ ดูแผ่นข้อมูล ควรมีข้อมูลจำเพาะความต้านทานความร้อนซึ่งจะบอกคุณว่ามีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างตายและอากาศแวดล้อมต่อวัตต์เท่าใด จากนั้นเพิ่มอุณหภูมิในกรณีที่เลวร้ายที่สุดของคุณและเปรียบเทียบกับอุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาต

สำหรับทรานซิสเตอร์และไอซีส่วนใหญ่เคส TO-220 จะร้อนที่ 1W แต่โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงการทำงาน ที่ 1/2 WI จะไม่กังวลเกี่ยวกับเรื่องนี้ ที่ 1W ฉันจะตรวจสอบแผ่นข้อมูลและทำการคำนวณ แต่มันอาจจะโอเค

One wrinkle: แผ่นข้อมูลอาจบอกคุณได้ว่าทนความร้อนได้หรือไม่ จากนั้นคุณจะต้องเพิ่มความต้านทานความร้อนจากเคสไปยังสภาพแวดล้อมซึ่งจะสูงกว่ามาก โชคดีที่ส่วนใหญ่เป็นฟังก์ชั่นของเคส TO-220 ไม่ใช่ทรานซิสเตอร์ดังนั้นคุณควรจะหาตัวเลขทั่วไปได้ เอกสารข้อมูลทางเทคนิคที่ดีจะให้ทั้งตัวเลขความต้านทานความร้อน

ที่เพิ่ม:

ฉันไม่ได้ติดตามลิงก์แผ่นข้อมูลก่อนหน้านี้ แต่ตอนนี้ฉันเห็นว่าทุกอย่างที่คุณต้องการมีการระบุไว้ในนั้น ความต้านทานความร้อนจากแม่พิมพ์ไปสู่รอบข้างคือ 62.5 C / W และอุณหภูมิสูงสุดในการใช้งานแม่พิมพ์คือ 175C คุณบอกว่าอุณหภูมิโดยรอบของคุณคือ 25C การเพิ่มขึ้นจากที่นั่นไปยังแม่พิมพ์ที่ 1W ให้ผลที่ 88C นั่นคือ 87C ต่ำกว่าอุณหภูมิในการทำงานสูงสุดดังนั้นคำตอบคือชัดเจนมาก ๆ ทรานซิสเตอร์ของคุณจะดีที่ 1W ในอากาศฟรี 25C

ตอบคำถามแรกของคุณ:

$\Omega$$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW$

1. ปริมาณพลังงานที่เกิดขึ้น
2. พลังงานที่ระบายออกสู่สิ่งแวดล้อมนั้นง่ายดายเพียงใด

(ปัจจัยแรกบอกว่า "พลังงาน" และไม่ใช่ "พลังงาน" เพราะเป็นพลังงานที่ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่ในการคำนวณของเราเราถือว่ารัฐมั่นคงและสามารถแบ่งทุกอย่างตามเวลาเพื่อให้เราสามารถทำงานกับพลังงานแทนพลังงาน)

เรารู้พลังนั่นคือ 1W พลังงานที่ระบายออกได้ง่ายเพียงใดที่แสดงในการต้านทานความร้อน (เป็น K / W) นี้ความต้านทานความร้อนคือผลรวมของความต้านทานความร้อนไม่กี่ที่แตกต่างกันที่คุณตามปกติ (ควร) พบในแผ่นข้อมูล: มีเป็นต้านทานทางแยกเพื่อกรณีและกรณีไปโดยรอบต้านทาน อดีตมีค่าต่ำมากเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจะผ่านการนำความร้อนในขณะที่ค่าหลังมีค่าสูงกว่ามากเนื่องจากที่นี่การถ่ายเทความร้อนผ่านการพาความร้อน. Like Olin กล่าวว่าหลังเป็นคุณสมบัติของประเภทเคส (TO-220) ดังนั้นบางทีเราอาจจะไม่พบมันในแผ่นข้อมูล แต่เราโชคดีที่แผ่นข้อมูลช่วยให้เราได้รับความต้านทานความร้อนรวมทางแยกไปยังรอบข้าง: 62.5 K / W นั่นหมายความว่าเมื่อการกระจาย 1W อุณหภูมิทางแยกจะสูงกว่าสภาพแวดล้อม 62.5 K (หรือ° C) หากอุณหภูมิในตู้ควบคุมอยู่ที่ 25 ° C (ค่อนข้างต่ำ!) อุณหภูมิทางแยกจะเป็น 87.5 ° C นั่นคือน้อยกว่า 125 ° C ซึ่งมักจะถือว่าเป็นอุณหภูมิสูงสุดสำหรับซิลิคอนดังนั้นเราจึงปลอดภัย อุณหภูมิเคสจะใกล้เคียงกับทางแยกดังนั้น MOSFET จะร้อนเกินไปที่จะสัมผัส

หมายเหตุ: หน้าเว็บนี้แสดงรายการการทนความร้อนแบบตัวต่อตัวสำหรับแพ็คเกจต่างๆ

นี่เป็นวงจรที่เทียบเท่ากับที่คุณควรจะรู้ว่าส่วนประกอบของคุณสามารถจัดการพลังงานที่กระจายได้ไม่ว่าจะเป็น TO-220 หรือแพ็คเกจอื่น ๆ ที่มีหรือไม่มีชุดระบายความร้อน

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

หากแหล่งจ่ายไฟกำลังรบกวนคุณเมื่อแก้ไขอุณหภูมิทางแยก ("แรงดันไฟฟ้า") คุณสามารถลบออกและทำงานกับระดับอุณหภูมิที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ (ตอนนี้ GND คืออุณหภูมิ / ศักย์แวดล้อม)

• R1, R2 และ C1 มาจากแผ่นข้อมูลส่วนประกอบ
• R3 มาจากแผ่นข้อมูลของแผ่นความร้อนที่ใช้ถ้ามีหรือจากแผนภูมิความต้านทานความร้อน VS ความดันสัมผัส (ขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าสัมผัส) สำหรับวัสดุที่สัมผัส
• R4 และ C2 มาจากแผ่นข้อมูลของชุดระบายความร้อน R4 ควรขึ้นอยู่กับการไหลของอากาศ

โดยทั่วไป "กรณี" หมายถึงแท็บหากมีหนึ่ง (กรณีที่เกิดขึ้นจริงเป็นอย่างอื่น) แต่อย่างอื่นคุณควรจะสามารถปรับวงจรเทียบเท่าตาม - เพียงแค่คิดว่าตัวต้านทานเป็นเส้นทางสำหรับความร้อนและคุณได้รับอุณหภูมิขององค์ประกอบ จากแรงดันไฟฟ้า

สำหรับสถานะคงที่สมมติว่าตัวเก็บประจุความร้อนจะถูกลบออก (เต็ม "ประจุ" / ทำให้ร้อนขึ้นแล้ว) ตัวอย่างเช่นหากไม่มีชุดระบายความร้อน:

เมื่อพลังงานที่กระจายไปถูกเปลี่ยนอย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับค่าคงที่เวลาความร้อนโดยทั่วไปคุณจะต้องคูณค่าความจุเฉพาะที่ผู้ผลิตอาจให้ (กฎของหัวแม่มือคือ 3 (Ws) / (K.kg)) กับมวลที่เกี่ยวข้องเพื่อให้ได้ ความสามารถและจัดการกับค่า RC ปกติ

โปรดทราบว่าอุณหภูมิโดยรอบชิ้นส่วนอาจสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมรอบตัวคุณมากถ้าอากาศไม่หมุนเวียนและ / หรือหากถูกปิดล้อม ด้วยเหตุนี้และเนื่องจากค่าทั้งหมดโดยทั่วไปไม่ค่อยแม่นยำให้ความสำคัญกับ T0 และอย่างน้อยต้องคำนึงถึงปัจจัยด้านความปลอดภัยหรืออย่างน้อย 1.5 (ตามด้านบน) หรืออย่างน้อย 2 ใน T1

ในที่สุดคุณอาจต้องการพิจารณาการเปรียบเทียบอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ VS บนแผ่นข้อมูลส่วนประกอบและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงสุดสำหรับอุณหภูมิที่ต่ำกว่าเนื่องจากอุณหภูมิ OK-ish อาจทำลายประสิทธิภาพของวงจรของคุณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขี่จักรยานอุณหภูมิช่วยลดอายุการใช้งานส่วนประกอบของคุณ - กฎง่ายๆคืออายุการใช้งานจะลดลงครึ่งหนึ่งทุกๆ 10 ° C

ตามสูตรของ wikiและค่าคงที่สำหรับความร้อนแยกต่ออากาศ TO-220 ถึงอุณหภูมิเท่ากับ 62.5 องศาต่อวัตต์ เมื่อทางแยกของคุณอยู่ที่สภาพแวดล้อม 125C-70C (กรณีที่เลวร้ายที่สุด) /62.5 = 55 / 62.5 = 880 มิลลิวัตต์

ที่ขีด จำกัด กล่าวสำหรับการใช้งานยานยนต์

ดังนั้นคำตอบคือไม่แม้ว่าคุณจะสามารถรักษาขีด จำกัด ของ 125C (ouch)

คุณยังถามว่ามันใช้กับ FET ได้หรือไม่ มันเป็นคำถามที่น่าสงสัยมากขึ้นสำหรับ FETs เพราะพวกเขามีโหมดควบคุมอุณหภูมิแบบความร้อนเมื่อมีอุณหภูมิทางแยกน้อยกว่าเส้นโค้งทางไฟฟ้าของพวกเขามีแนวโน้มที่จะตั้งเป้าหมายการกระจายพลังงานมากขึ้น ดังนั้นคุณไม่สามารถรักษาขีด จำกัด FETs แบบขนานจะไม่ทำให้เกิดการหลบหนีและพวกมันจะปรับสมดุลของโหลดเอง แต่ความแตกต่างเล็ก ๆ ในอุปกรณ์จะทำให้เกิดการไหลเข้าของเกตแรงดันไฟฟ้าของประตู (คุณมีเดือยแหลมขนาดใหญ่ในปัจจุบัน (แก้ไข: ตามที่ Madman แสดงความคิดเห็น: เมื่อคุณเปลี่ยนเวลาเป็นศูนย์ข้ามพูดใน rectifier ซิงโครนัสคุณสามารถละเว้นด้านนี้)

ดังนั้นคำตอบสุดท้ายคือไม่และไม่

ค่าประมาณแบบอนุรักษ์นิยมของฉันคือ 880 หารด้วย 3 = ประมาณ 300 mW เพื่อรักษาอัตราความปลอดภัยของกำลังไฟที่เกิน 200%

การต้านทานความร้อนแบบ "ตายสู่สิ่งแวดล้อม" หมายถึงการติดตั้งบนฮีทซิงค์แบบไม่มีที่สิ้นสุดหรือโดยทั่วไปแล้วจะเป็น pcb ทองแดงสี่เหลี่ยมขนาด 1 นิ้วหรือการทดสอบที่คล้ายกันที่ระบุโดยผู้ผลิต เมื่อติดตั้งอุปกรณ์เช่นนั้นอุณหภูมิ "รอบข้าง" คืออุณหภูมิของแผงระบายความร้อน หากอุปกรณ์ไม่ได้ติดตั้งเช่นนั้น "สภาพแวดล้อม" สำหรับอุปกรณ์จะเป็นอุณหภูมิของอากาศร้อนรอบ ๆ อุปกรณ์ไม่ใช่ 25C ของอากาศบางแห่งที่อยู่ไกลออกไป

ความต้านทานความร้อนของอากาศนิ่งอยู่ที่ประมาณ 0.1 - 0.2 K / W ต่อตารางเมตรและพื้นที่ของแพคเกจ TO-220 อยู่ที่ประมาณ 300 mm2 ดังนั้นการคาดเดาครั้งแรกที่ความต้านทานความร้อนจากสภาพแวดล้อมต่อสิ่งแวดล้อมจะอยู่ที่ประมาณ 500C / W สิ่งนี้สอดคล้องกับประเภทของตัวเลขที่มีอยู่บนอินเทอร์เน็ต: TI แนะนำว่าค่าความต้านทานความร้อนจากตาราง 1 ซม. สู่อากาศเนื่องจากการพาความร้อนตามธรรมชาติคือ 1,000 K / W AN-2020 การออกแบบการระบายความร้อนโดย Insite ไม่ใช่ Hindsight

ด้วยอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมประมาณ 25C ความต้านทานความร้อนประมาณ 500 ตัวต่อสภาพแวดล้อมประมาณ 50 ทางแยกต่อกรณีและอุณหภูมิทางแยกสูงสุด 150C กำลังไฟที่อนุญาตคือ (150-25) / 550 W หรือประมาณคร่าวๆ

ประมาณ 200 mW

david ได้ basicley กล่าวว่า mosfet จะไป +1 บางเหตุผลอื่น ๆ จะเป็นบวกอุณหภูมิที่น่ารังเกียจของการต่อต้านซึ่งไม่ทำงานในความโปรดปรานของคุณเมื่ออุปกรณ์ปัจจุบันได้รับการแก้ไขในความเป็นจริงเหมือน fets ส่วนใหญ่สามารถเป็นสองเท่าได้อย่างง่ายดาย มันร้อนขึ้นดังนั้น 1 วัตต์ของคุณในขณะนี้คือ 2 วัตต์ความจุอินพุตสูงจะทำให้สูญเสียพลังงานในการต้านทานเกตภายในถ้าคนขับเกตของคุณเร็วพลังงานเกทนี้เป็นสิ่งสำคัญและควรเป็นปัจจัยต่อไป การสูญเสียจะเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าคุณสลับยากคุณจึงไม่สามารถลดความเร็วประตูได้มากนักถ้าแรงดันไฟฟ้า DS ของคุณสูงพอสมควรมิลเลอร์เอฟเฟกต์จะเริ่มขยายความจุประตูระบายน้ำ ยิ่งแย่ไปกว่านั้นหากทั้งหมดนี้ไม่เพียงพอที่จะพิจารณาการกู้คืนไดโอดเมื่อเปิด