PCBニュース - 高速回路設計放熱問題

通常のディジタル回路設計では，低速チップの消費電力は一般に非常に小さく，通常の自然放熱条件下ではチップの温度上昇はあまり大きくないので，集積回路の放熱を考慮しない。チップ速度の連続的な改善に伴い，単一チップの消費電力は徐々に増加してきた。例えば、インテルのペンティアムCPUの消費電力は25 Wに達することができます。熱散逸の自然条件がチップの温度上昇を必要な指標の下で制御することができないときには、チップ表面上の熱の放出を加速し、チップを正常な温度範囲内で動作させるために適切な放熱手段を使用する必要がある。

通常の条件下では、熱の伝達には3つの方法がある。伝導は、より高い温度からより低い温度まで直接接触するオブジェクト間の熱の伝達を意味する。対流は流体の流れを通して熱を伝達しますが、放射はどんな媒体も必要としません。発熱素子は周囲空間に直接熱を放出する。

実際の応用では、放熱、放熱器、送風機、あるいは両方を同時に使用する2つの方法がある。放熱器はチップの表面と密接に接触してチップの熱を放熱器に伝導する。ラジエータは、通常多くのブレードを持つ良い熱伝導体である。その完全に膨張した表面は、放熱を大いに増加させ、同時に空気を循環させる。また、より多くの熱を奪うことができます。ファンの使用は、ラジエータの表面に直接設置され、もう一方はシャーシとラックに設置され、全体の空気流量を増加させる。回路計算における最も基本的なオーム則と同様に、熱散逸計算のための最も基本的な式がある。

温度差=熱抵抗*消費電力

放熱器の場合、ラジエータと周囲空気との間の熱放出の「抵抗」は熱抵抗と呼ばれ、放熱器と空気との間の「熱流」の大きさはチップの消費電力で表されるので、熱流は熱によって放熱される。放熱器が空気に流れるとき、熱抵抗の存在により、抵抗器に電流が流れるとき、電圧降下が生じるように、ラジエータと空気の間にある温度差が生じる。同様に、ヒートシンクとチップ表面との間に一定の熱抵抗が存在する。熱抵抗の単位は、ラジエータを選ぶとき、機械的次元の考慮に加えて、ラジエータの熱抵抗である。熱抵抗が小さいほどラジエータの放熱能力が強くなる。ここでは、回路設計における熱抵抗の計算例を示す。

設計要件

チップ消費電力：20ワット

チップ表面が超えることができない最高温度：摂氏85度

周囲温度（最大）：摂氏55度

必要なヒートシンクの熱抵抗を計算します。

ヒートシンクとチップとの間の実際の熱抵抗は非常に小さいので、摂氏0.01度を近似とする。でも

（R + 0.1）* 20 W = 85度

r = 1.4度摂氏

選択されたヒートシンクの熱抵抗が1.4℃°C／W未満である場合にのみ、チップ表面温度は85℃℃を超えない。

ファンを使用すると、ラジエータの表面から多くの熱を奪い、ラジエータと空気の温度差を減らし、ラジエータと空気の間の熱抵抗を減らすことができます。したがって、ラジエータの熱抵抗パラメータは、通常、テーブルで表される。

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