퍼온글 입니다.
하드웨어를 설계하다 보면, 방열에 대한 고려를 해야 할 경우가 많이 있습니다. 전자 회로와 무관한 듯이 보이기도 하고,
정량적으로 다루기 어려운 점이 있기 때문에 의외로 소홀히 다루는 경우가 많은 것 같습니다만… 중요한 사항입니다.
열이 발생하면 온도가 상승하는데, 주위로 열의 흐름이 생겨 식혀지는 상황은 전기의 흐름과 대단히 유사하고, 본질적으로는
같은 방법의 해석이 가능합니다.
이 때, “온도” 는 “전압”에 해당합니다. 단위는 ˚C (섭씨) 또는 ˚K (Kelvin) 를 사용합니다.
“열” 은 “전류”에 해당합니다. 단위는 W (watt) 를 사용합니다.
열이 전달되기 어려운 정도를 “열 저항” 이라고 부르는데 이는 “전기 저항” 에 해당하며 단위는 ˚C/W 또는 ˚K/W 를 사용
합니다. 이 밖에 “열 용량” 이라는 것이 있고 “전기 용량”에 해당합니다.
가열을 해도 물이 쉽게 뜨거워 지지 않고, 한번 뜨거워진 물이 쉽게 식지 않는 현상을 “열 용량” 이라는 척도로 설명할 수 있겠
는데… 단위는 모르겠네요.
{naver 에서 "열용량"으로 검색 후 발췌:
열량은 Q 라고 쓰며 열량의 단위에는 일의 단위인 J(줄)과 에너지 단위인 cal를 씁니다.
열량(Q) = 비열*질량*온도변화 인데요.
여기서 비열(C)은 어떤 물질 1g을 1도씨 올리는데 필요한 열량입니다.
열량(Q) 속에있는 비열(C)의 질량(m) 곱이 바로 열용량입니다.
비열이 어떤 1g가지고 1도씨 올리는데 필요한 열량이라면, 열용량은 어떤 물질 m g 가지고 1도씨 올리는데 필요한
열량이 되는 것이지요.}
그림 1. 을 보시면 왼쪽에 절대 온도(Kelvin 온도)를 기준으로 한 방열 모델이 있습니다. “방열”은 “냉각”과는 다른 개념으로,
상온을 기준으로 하여 온도 상승을 억제하기 위한 것이므로, 굳이 절대 0 도를 기준으로 할 필요 없이 오른 쪽 그림같이 상온을
기준으로 생각해도 충분하다는 내용을 담고 있습니다.
“상온” 이라 함은 통상 25˚C 를 말하는데, 물리학에서는 300˚K (약 27˚C) 를 사용하기도 합니다. 아마 지구의 평균 온도가
이에 가깝기 때문에 이렇게 정한 것 같습니다.
“전압” 의 좀 더 엄밀한 의미가 “전위차” 이 듯이 방열 상황에서는 “온도차”가 됩니다.
“열” 은 본질적으로 “흐름”임을 볼 수 있습니다.
전기적인 “ohm 의 법칙” 이 여기에서도 똑 같이 적용됩니다.
발열에 의한 열(의 흐름) 이 발생하여 열 저항을 거치면 온도차가 생겨 뜨거워 지는 겁니다. “열”과 “온도”를 구분 못하는 분도
계시던데… 이불을 덮어 놓지 않으면 방 구들이 덥혀지지 않는 현상을 생각하면 이해가 될 겁니다. 이불을 덮는다는 것은 “열
저항”을 크게 하겠다는 뜻입니다. 그래야 온도가 올라가 방바닥이 따뜻해 지는 겁니다.
그림 2. 를 보시죠.
트랜지스터가 있고, 그 내부 접합에서 열이 발생하는 상황입니다. 내부 접합에서 case 표면까지의 열 저항이 Rjc 로 표시되어
있습니다. Case 표면에 도착한 열은 대류, 복사, 전도의 형태로 대기중으로 흩어집니다. 그 들의 종합 열 저항이 Rca 로 표시
되어 있습니다. 이는 방열판을 부착하지 않은 소자의 방열 모델입니다. Rjc 에 비하여 Rca 값이 훨씬 큰 게 보통입니다.
소자 표면에 맹렬한 바람을 주입하여 case 온도를 상온과 같게 한다면 Rca=0 이 되는 셈입니다.
그림 3.을 보시죠.
방열판을 부착한 경우입니다. Rca 에 병렬로 (Rcs + Rsa) 가 연결되어 있습니다. Rcs 는 소자의 case 를 방열판에 부착하는
과정에서 생기는 열 저항입니다. 많은 경우, 이 자리에 전기적 절연을 위한 물건이 끼어져야 해서 열 저항을 증가시킵니다.
절연판 양측의 접촉면이 완전 밀착되지 않으므로 치약같이 생긴 silicon grease 를 넣어 공간을 채우는 방법등으로 Rcs 를
줄이려는 노력을 하게 됩니다.
Rsa 는 방열판 고유의 값으로 이 값을 줄이기 위하여 열 전도율이 높은 알루미늄, 구리 등을 사용하고, 원활한 대류를 위한 날개를
달며, 효율적인 복사를 위하여 표면을 검게 염색하는 등의 조치를 합니다. 물론 fan 을 이용하여 바람을 불어 넣을 경우, Rsa 는
훨씬 줄어듭니다.
“자연 공냉”이 아닌 “강제 공냉” 이 되는 겁니다. Rsa = 0 인 경우, “무한 방열판” 이라고 부릅니다.
소 전력용 소자의 경우, 규격표에 그림 2 의 모델로 Ta (ambient temparature : 주위 온도)를 규정합니다.
대 전력용 소자는 Tc (case temparature) 를 규정합니다. 즉, 무한 방열판이 이상적인 상태로 부착되어 있는 경우를 규정하는
겁니다. 현실 세계에서는 실현 곤란한 상황이므로 규격표에 나와 있는 전력 손실보다는 상당히 적은 값의 손실 밖에 허용되지
않습니다.
좀 더 구체적인 예를 들어 보겠습니다.
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf1010e.pdf
자료에 IRF1010E (TO-220AB) 의 예를 듭니다.
TJ TSTG -55˚C ~ 175 ˚C
RθJC 0.75 ˚C/W (max)
RθCS 0.50 ˚C/W (typ)
RθJA 62 ˚C/W (max)
이 소자를 방열판 없이 상온(25˚C)에서 사용할 경우, RθJC + RθJA = 62.75˚C/W 이므로 내부에서 1W 의 전력 손실이 발생
한다면, 주위 온도보다 62.75˚C 의 온도 상승이 일어 납니다. 즉, 접합의 온도는 25 + 62.75 = 87.75˚C 가 됩니다.
허용되는 최대 전력 손실은, 175 – 25 = 150˚C 이므로 150/62.75 = 2.39 (W) 입니다.
이 소자에 Rsa = 1˚C/W 의 방열판을 양호한 상태로 부착한다면, RθJA 는 무시할 수 있으므로 RθJC + RθCS + Rsa = 2.25˚C/W
이므로 내부에서 1W 의 전력 손실이 발생해도 접합은 2.25˚C 밖에 상승하지 않습니다.
허용되는 최대 전력 손실은, 150/2.25 = 67.7 (W) 로 대폭 상승합니다. 이상과 같이 방열 설계를 할 수는 있으나, 비현실적인
경우도 많습니다. 전력 손실의 계산을 쉽게 할 수 있는 Linear regulator 등에서는 문제가 없으나, PWM 등 switching 소자로
사용할 때는 전력 손실을 가늠하기가 어렵습니다.
소자의 on, off 구간에서는 쉽게 파악이 되지만 on 에서 off 로, off 에서 on 으로 바뀌는 과도기의 손실은 소자의 drive 조건에
따라 크게 바뀌고 대부분의 손실이 이 과정에서 발생하기 때문입니다.
그렇더라도 방열 과정을 알아 두는 것은 꼭 필요하다고 생각합니다.
이 때는 차라리 전원측의 전압과 전류를 측정하여 입력되는 전력을 측정하는 것이 방법이 될 수 있겠습니다.