이 글은 방열 설계, 240W 외장형 어댑터 열저항과 정션 온도 계산 시리즈의 2편입니다. 앞 편에 이어 240W 컨버터의 방열판 열저항 산정 예제, 맺음말을 설명합니다.
240W 컨버터의 방열판 열저항 산정 예제
240W 외장형 어댑터의 실무 사양을 바탕으로 목표 접합 온도를 달성하기 위한 방열판의 최대 허용 열저항을 계산하고 마진을 검증합니다. 외부 대기 온도가 35°C인 조건에서 밀폐 하우징 내부 공기 온도 T_a는 60°C까지 상승한다고 설정합니다.
선정된 Si MOSFET 소자의 최대 허용 접합 온도는 150°C이지만, 부품의 수명 연장과 신뢰성 확보를 위한 부품 디레이팅 설계 기준을 적용하여 목표 접합 온도의 상한선 T_j_limit를 105°C로 제한합니다. 이에 따른 허용 온도 상승량 ΔT는 45°C입니다.
TO-220 패키지 소자의 데이터시트 기준 정션-케이스 열저항 R_thJC는 1.5°C/W이며, 실리콘 써멀 패드와 그리스를 적용한 케이스-방열판 계면 열저항 R_thCS는 0.8°C/W입니다.
목표 접합 온도를 초과하지 않기 위해 허용되는 전체 최대 열저항 R_th_req는 식 (6)으로 결정합니다.
식 (6)에 온도 차이 45°C와 총 손실 3.2W를 대입하면 요구되는 전체 열저항은 14.0625°C/W 이하가 되어야 합니다.
따라서 선정해야 하는 방열판의 최대 허용 열저항 R_thSA는 식 (7)과 같이 전체 허용 열저항에서 기통과 경로의 열저항을 감산하여 산출합니다.
식 (7)에 R_th_req인 14.0625°C/W와 R_thJC인 1.5°C/W, R_thCS인 0.8°C/W를 대입하면, 방열판 열저항 R_thSA는 11.7625°C/W 이하를 만족해야 합니다.
실제 부품 라이브러리에서 자연 대류 기준 열저항이 9.5°C/W인 알루미늄 압출 방열판을 선정할 경우, 1편의 식 (5)에 의한 최종 접합부 온도는 97.76°C로 계산할 수 있습니다. 이는 목표 제한 온도인 105°C 대비 7.24°C의 안전 마진을 확보하는 수치입니다.
맺음말
240W 외장형 어댑터 DC-DC 컨버터의 방열 설계에서 도통 손실 2.0W와 스위칭 손실 1.2W를 합산한 총 3.2W의 전력 손실을 정밀하게 산정하였습니다. 1차원 직렬 등가 열저항 회로 모델을 적용하여 60°C의 밀폐 내부 공기 조건에서 목표 접합 온도 105°C를 준수하기 위해 요구되는 방열판의 최대 허용 열저항이 11.7625°C/W 이하임을 계산으로 증명하였습니다. 실제 9.5°C/W 사양의 방열판을 적용하여 최종 접합 온도를 97.76°C로 억제함으로써 충분한 열적 여유도를 검증하였습니다.
외장형 어댑터의 실무 열 설계에서는 계산상의 이상적인 수치에만 의존하지 않아야 합니다. 소자 조립 시 볼트 체결 토크의 불균일이나 시간 경과에 따른 써멀 그리스의 경화로 인해 케이스-방열판 계면 열저항이 증가할 수 있음을 항상 고려해야 합니다. 또한 어댑터의 거치 방향이나 인클로저 통풍 슬릿의 유무에 따라 자연 대류 성능 편차가 발생할 수 있습니다. 따라서 양산 전 단계에서 반드시 열전대 센서와 열화상 측정 장비를 활용하여 정격 부하 조건에서의 소자 표면 온도를 실측하고 열적 안전성을 최종 검증해야 합니다.
이 글은 앞선 내용을 몰라도 읽을 수 있게 썼습니다. 배경이 궁금하다면 CCM과 DCM 경계, 240W 어댑터 임계 인덕턴스와 경계 전류 계산을 함께 보면 도움이 됩니다: https://www.infoshirimp.co.kr/?p=235
이것으로 시리즈를 마칩니다. 앞선 편들과 함께 읽으면 전체 흐름을 파악할 수 있습니다.