2024年5月22日发(作者：白雁卉)
散热器设计的基本计算
一、概念
1、 热路：由热源出发，向外传播热量的路径。在每个路径上，必定经过一些不同的介
质，热路中任何两点之间的温度差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻，就
像电路中的欧姆定律，与电路等效关系如下。
热路
热耗 P （W）
温差 △T=T
1
－T
2
（℃）
热阻 R
th
=△T/P （℃/ W）
热阻串联 R
th
=R
th1
＋R
th2
＋…
热阻并联 1/R
th
=1/R
th1
＋1/R
th2
＋…
电流 V
ab
I （A）
电压 V
ab
=V
a
－V
b
（V）
电阻 R=V
ab
/I （Ω）
电阻串联 R=R
1
＋R
2
＋…
电阻并联 1/R=1/R
1
＋1/R
2
＋…
电路
2、 热阻：在热路中，各种介质及接触状态，对热量的传递表现出的不同阻碍作用——
在热路中产生温度差,形成对热路中两点间指标性的评价。
符号——Rth 单位——℃/W。
✓ 稳态热传递的热阻计算: R
th
= (T
1
－T
2
)/P
T
1
——热源温度（无其他热源） （℃)
T
2
——导热系统端点温度 （℃)
✓ 热路中材料热阻的计算: R
th
=L/(K·S)
L——材料厚度 （m)
S——传热接触面积 （m
2
)
3、 导热率：是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所
传递的热量。
符号——K or λ 单位——
W／m-K，
常用材料导热率（20℃取上限值） W／m-K
银
纯铜
紫铜
黄铜
纯铝
T1～T4
30％Zn
429
401
397
109
237
橡胶
灌封硅胶
氧化铝陶瓷片
绝缘布矽胶片
Rubber
TCS-260
佳日丰泰
佳日丰泰
佳日丰泰
0.26
0.577
30
1.6
16垂直 导热石墨片
铝合金
铝合金
铝合金
铝合金
铝合金
铁
不锈钢
二、热设计的目标
1070
1050
6063
6061
7075
226
209
201
160
130
80
17
硅胶垫
矽胶套帽
相变基膜
矽硅膜
导热膏
空气
佳日丰泰
佳日丰泰
佳日丰泰
鑫鑫顺源
KDS-2
1900平面
5.0
1.0
1.4
0.9
0.84
0.04
1、 确保任何元器件不超过其最大工作结温（T
jmax
）
✓ 推荐：器件选型时应达到如下标准
民用等级：T
jmax
≤150℃ 工业等级：T
jmax
≤135℃
军品等级：T
jmax
≤125℃ 航天等级：T
jmax
≤105℃
✓ 以电路设计提供的，来自于器件手册的参数为设计目标
2、 温升限值
器件、内部环境、外壳： △T≤60℃
器件每升高2℃，可靠性下降10％；器件温升为50℃时，寿命只有温升25℃的1/6，
电解电容温升超过10℃，寿命下降1/2。
三、计算
1、 TO220封装＋散热器
1) 结温计算
✓ 热路分析
热传递通道：管芯j→功率外壳c→散热器s→环境空气a
环境空气a
管芯j
功率外壳c
绝缘垫
散热器s
注：因Rth
ca
较大，忽略不影响计算，故可省略。
Rth
ja
≈Rth
jc
＋Rth
cs
＋Rth
sa
≈(T
结温
－T
环温
)/P
✓ 条件
Rth
jc
——器件手册查询
Rth
cs
——材料热阻：R
th
绝缘垫
=L
绝缘垫厚度
／（K
绝缘垫
·S
绝缘垫接触
c
的面积
）
Rth
sa
——散热器热阻曲线图查询
T
结温
——器件手册查询（待计算数值）
T
环温
——任务指标中的工作环境要求
P ——电路设计计算
✓ 计算
T
结温
＝（Rth
jc
＋Rth
cs
＋Rth
sa
）·P＋T
环温
＜手册推荐结温
✓ 注：注意单位统一；判定结温温升限值是否符合。
2) 散热器热阻计算（参见上图）
散热器的热阻一般可在由厂家提供的热阻曲线上标出，也可通过测试得出。
✓ 测试
在被测散热器上安装一发热器（or组）件,固定一个风速（M/S），测量进、出风
温度，通过计算，得出该条件下的Rth
sa
。设定一组风速，得出的不同Rth
sa
值，
绘制出该散热器的热阻曲线，不同长度的散热器，可得到不同的曲线。
✓ 条件
T
进风
——进口温度
T
出风
——相同风速下的出口温度
P——电路设计计算的，发热器（or组）件的功耗
✓ 计算
Rth
sa
＝（T
出风
－T
进风
）／P
✓ 注：亦可根据已有条件，如管芯的△T和功耗，计算出所需散热器的热阻上限，
在热阻曲线图上选用足够尺寸的散热器。
2、共用同一散热器（见右图）
✓ 分析
对于散热器而言，总的传热功耗为：
P
总
＝P
j1
＋P
j2
那么散热器的温升为：
J1
J2
△T
散热器
＝Rth
sa
·（P
j1
＋P
j2
）
每只管子的传热路径中，热阻引起的温升为：
△T
j1
＝（Rth
jc1
＋Rth
cs1
）·P
j1
△T
j2
＝（Rth
jc2
＋Rth
cs2
）·P
j2
热路中，所有温升之和加上环境温度就是最大结温，即：
T
jmax1
＝△T
j1
＋△T
散热器
＋T
环境
T
jmax2
＝△T
j2
＋△T
散热器
＋T
环境
✓ 条件
P
j1
——电路设计计算
P
j2
——电路设计计算
Rth
jc1
——器件手册查询
Rth
jc2
——器件手册查询
Rth
cs1
——材料热阻：R
th
绝缘垫
=L
绝缘垫厚度
／（K
绝缘垫
·S
绝缘垫接触
c
的面积
）
Rth
cs2
——材料热阻：R
th
绝缘垫
=L
绝缘垫厚度
／（K
绝缘垫
·S
绝缘垫接触
c
的面积
）
Rth
sa
——散热器热阻曲线图查询
T
环境
——任务指标中的工作环境要求
✓ 计算
J1的最大结温：T
jmax1
＝（Rth
jc1
＋Rth
cs1
）·P
j1
＋Rth
sa
·（P
j1
＋P
j2
）＋T
环境
J2的最大结温：T
jmax2
＝（Rth
jc2
＋Rth
cs2
）·P
j2
＋Rth
sa
·（P
j1
＋P
j2
）＋T
环境
✓ 注： 判定计算出的最大结温，是否小于手册推荐结温；
判定结温温升限值是否符合；
注意计算时单位要统一。
四、 经验
1、 热路的分析和计算，由于影响因素较为复杂，可以忽略一些影响小的参数，来简
化计算，但一定要注意影响趋势的方向，是有利于传热的，可以作为设计余量储
备，由于影响小，所以不会影响经济性。
2、 还是因为影响因素复杂，理论计算是设计指导，结果一定以试验结论判定，埋点
测温是最有效的验证方式。
3、 电源的热设计是和电路设计密不可分的，实际情况往往因为空间问题，把散热设
计到最大化，也就刚刚满足需求，而热路的设计只能截止到外壳，外壳（或散热
器）的温度怎么办？这就需要电路设计来降低功耗，甚至和客户讨论如何给电源
散热，这就需要我们是否能提的出所有计算数据。
4、 关于余量问题，建议只要满足结温和温升限制，即可保证产品工作的可靠性。
5、 热设计的装配工艺应符合相应的工艺规范，首先确保装配的难度不大，其次考虑
装配的步骤减少，即适应批量的流水装配作业。
2024年5月22日发(作者：白雁卉)
散热器设计的基本计算
一、概念
1、 热路：由热源出发，向外传播热量的路径。在每个路径上，必定经过一些不同的介
质，热路中任何两点之间的温度差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻，就
像电路中的欧姆定律，与电路等效关系如下。
热路
热耗 P （W）
温差 △T=T
1
－T
2
（℃）
热阻 R
th
=△T/P （℃/ W）
热阻串联 R
th
=R
th1
＋R
th2
＋…
热阻并联 1/R
th
=1/R
th1
＋1/R
th2
＋…
电流 V
ab
I （A）
电压 V
ab
=V
a
－V
b
（V）
电阻 R=V
ab
/I （Ω）
电阻串联 R=R
1
＋R
2
＋…
电阻并联 1/R=1/R
1
＋1/R
2
＋…
电路
2、 热阻：在热路中，各种介质及接触状态，对热量的传递表现出的不同阻碍作用——
在热路中产生温度差,形成对热路中两点间指标性的评价。
符号——Rth 单位——℃/W。
✓ 稳态热传递的热阻计算: R
th
= (T
1
－T
2
)/P
T
1
——热源温度（无其他热源） （℃)
T
2
——导热系统端点温度 （℃)
✓ 热路中材料热阻的计算: R
th
=L/(K·S)
L——材料厚度 （m)
S——传热接触面积 （m
2
)
3、 导热率：是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所
传递的热量。
符号——K or λ 单位——
W／m-K，
常用材料导热率（20℃取上限值） W／m-K
银
纯铜
紫铜
黄铜
纯铝
T1～T4
30％Zn
429
401
397
109
237
橡胶
灌封硅胶
氧化铝陶瓷片
绝缘布矽胶片
Rubber
TCS-260
佳日丰泰
佳日丰泰
佳日丰泰
0.26
0.577
30
1.6
16垂直 导热石墨片
铝合金
铝合金
铝合金
铝合金
铝合金
铁
不锈钢
二、热设计的目标
1070
1050
6063
6061
7075
226
209
201
160
130
80
17
硅胶垫
矽胶套帽
相变基膜
矽硅膜
导热膏
空气
佳日丰泰
佳日丰泰
佳日丰泰
鑫鑫顺源
KDS-2
1900平面
5.0
1.0
1.4
0.9
0.84
0.04
1、 确保任何元器件不超过其最大工作结温（T
jmax
）
✓ 推荐：器件选型时应达到如下标准
民用等级：T
jmax
≤150℃ 工业等级：T
jmax
≤135℃
军品等级：T
jmax
≤125℃ 航天等级：T
jmax
≤105℃
✓ 以电路设计提供的，来自于器件手册的参数为设计目标
2、 温升限值
器件、内部环境、外壳： △T≤60℃
器件每升高2℃，可靠性下降10％；器件温升为50℃时，寿命只有温升25℃的1/6，
电解电容温升超过10℃，寿命下降1/2。
三、计算
1、 TO220封装＋散热器
1) 结温计算
✓ 热路分析
热传递通道：管芯j→功率外壳c→散热器s→环境空气a
环境空气a
管芯j
功率外壳c
绝缘垫
散热器s
注：因Rth
ca
较大，忽略不影响计算，故可省略。
Rth
ja
≈Rth
jc
＋Rth
cs
＋Rth
sa
≈(T
结温
－T
环温
)/P
✓ 条件
Rth
jc
——器件手册查询
Rth
cs
——材料热阻：R
th
绝缘垫
=L
绝缘垫厚度
／（K
绝缘垫
·S
绝缘垫接触
c
的面积
）
Rth
sa
——散热器热阻曲线图查询
T
结温
——器件手册查询（待计算数值）
T
环温
——任务指标中的工作环境要求
P ——电路设计计算
✓ 计算
T
结温
＝（Rth
jc
＋Rth
cs
＋Rth
sa
）·P＋T
环温
＜手册推荐结温
✓ 注：注意单位统一；判定结温温升限值是否符合。
2) 散热器热阻计算（参见上图）
散热器的热阻一般可在由厂家提供的热阻曲线上标出，也可通过测试得出。
✓ 测试
在被测散热器上安装一发热器（or组）件,固定一个风速（M/S），测量进、出风
温度，通过计算，得出该条件下的Rth
sa
。设定一组风速，得出的不同Rth
sa
值，
绘制出该散热器的热阻曲线，不同长度的散热器，可得到不同的曲线。
✓ 条件
T
进风
——进口温度
T
出风
——相同风速下的出口温度
P——电路设计计算的，发热器（or组）件的功耗
✓ 计算
Rth
sa
＝（T
出风
－T
进风
）／P
✓ 注：亦可根据已有条件，如管芯的△T和功耗，计算出所需散热器的热阻上限，
在热阻曲线图上选用足够尺寸的散热器。
2、共用同一散热器（见右图）
✓ 分析
对于散热器而言，总的传热功耗为：
P
总
＝P
j1
＋P
j2
那么散热器的温升为：
J1
J2
△T
散热器
＝Rth
sa
·（P
j1
＋P
j2
）
每只管子的传热路径中，热阻引起的温升为：
△T
j1
＝（Rth
jc1
＋Rth
cs1
）·P
j1
△T
j2
＝（Rth
jc2
＋Rth
cs2
）·P
j2
热路中，所有温升之和加上环境温度就是最大结温，即：
T
jmax1
＝△T
j1
＋△T
散热器
＋T
环境
T
jmax2
＝△T
j2
＋△T
散热器
＋T
环境
✓ 条件
P
j1
——电路设计计算
P
j2
——电路设计计算
Rth
jc1
——器件手册查询
Rth
jc2
——器件手册查询
Rth
cs1
——材料热阻：R
th
绝缘垫
=L
绝缘垫厚度
／（K
绝缘垫
·S
绝缘垫接触
c
的面积
）
Rth
cs2
——材料热阻：R
th
绝缘垫
=L
绝缘垫厚度
／（K
绝缘垫
·S
绝缘垫接触
c
的面积
）
Rth
sa
——散热器热阻曲线图查询
T
环境
——任务指标中的工作环境要求
✓ 计算
J1的最大结温：T
jmax1
＝（Rth
jc1
＋Rth
cs1
）·P
j1
＋Rth
sa
·（P
j1
＋P
j2
）＋T
环境
J2的最大结温：T
jmax2
＝（Rth
jc2
＋Rth
cs2
）·P
j2
＋Rth
sa
·（P
j1
＋P
j2
）＋T
环境
✓ 注： 判定计算出的最大结温，是否小于手册推荐结温；
判定结温温升限值是否符合；
注意计算时单位要统一。
四、 经验
1、 热路的分析和计算，由于影响因素较为复杂，可以忽略一些影响小的参数，来简
化计算，但一定要注意影响趋势的方向，是有利于传热的，可以作为设计余量储
备，由于影响小，所以不会影响经济性。
2、 还是因为影响因素复杂，理论计算是设计指导，结果一定以试验结论判定，埋点
测温是最有效的验证方式。
3、 电源的热设计是和电路设计密不可分的，实际情况往往因为空间问题，把散热设
计到最大化，也就刚刚满足需求，而热路的设计只能截止到外壳，外壳（或散热
器）的温度怎么办？这就需要电路设计来降低功耗，甚至和客户讨论如何给电源
散热，这就需要我们是否能提的出所有计算数据。
4、 关于余量问题，建议只要满足结温和温升限制，即可保证产品工作的可靠性。
5、 热设计的装配工艺应符合相应的工艺规范，首先确保装配的难度不大，其次考虑
装配的步骤减少，即适应批量的流水装配作业。