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開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì) 討論散熱設(shè)計(jì)的一些基本原則

開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)  討論散熱設(shè)計(jì)的一些基本原則
  從有利于散熱的角度出發(fā),印制版最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則:
  ·對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按縱長(zhǎng)方式排列,如圖3示;對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按橫長(zhǎng)方式排列.
   ·同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流最下游.
  ·在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響.
  ·對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬(wàn)不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局.
  ·設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件或印制電路板.空氣流動(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),所以在印制電路板上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域.整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問(wèn)題.
       電子設(shè)備散熱的重要性
在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天.如何保證電子設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行,一直困擾著工程師們.造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多,但是高溫是其中最重要的因素(其它因素重要性依次是振動(dòng)Vibration、潮濕Humidity、灰塵Dust),溫度對(duì)電子設(shè)備的影響高達(dá)60%.

溫度和故障率的關(guān)系是成正比的,可以用下式來(lái)表示:
F = Ae-E/KT
其中:
F = 故障率,
A=常數(shù)
E = 功率
K =玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K)
T = 結(jié)點(diǎn)溫度
      隨著芯片的集成度、功率密度的日愈提高,芯片的溫度越來(lái)越成為系統(tǒng)穩(wěn)定工作、性能提升的絆腳石.作為一個(gè)合格的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員,除了成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能之外,還必須充分考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、工作壽命,環(huán)境適應(yīng)能力等等.而這些都和溫度有著直接或間接的關(guān)系.數(shù)據(jù)顯示,45%的電子產(chǎn)品損壞是由于溫度過(guò)高.可見(jiàn)散熱設(shè)計(jì)的重要性.
    如何對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì),首先我們可以從芯片廠家提供的芯片Datasheet為判斷的基礎(chǔ)依.如何理解Datasheet的相關(guān)參數(shù)呢?下面將對(duì)Datasheet中常用的熱參數(shù)逐一說(shuō)明.

一、 Datasheet中和散熱有關(guān)的幾個(gè)重要參數(shù)

    P--芯片功耗,單位W(瓦).功耗是熱量產(chǎn)生的直接原因.功耗大的芯片,發(fā)熱量也一定大.

    Tc--芯片殼體溫度,單位℃.

    Tj--結(jié)點(diǎn)溫度,單位℃.隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高,半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降.結(jié)點(diǎn)溫度過(guò)高將導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定,系統(tǒng)死機(jī),最終芯片燒毀.

    Ta--環(huán)境溫度,單位℃.

    Tstg--存儲(chǔ)溫度,單位℃.芯片的儲(chǔ)存溫度.

    Rja/θja--結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻,單位℃/W.

    Rjc/θjc--結(jié)點(diǎn)到芯片殼的熱阻,單位℃/W

    Ψjt--可以理解為結(jié)點(diǎn)到芯片上表面的熱阻.當(dāng)芯片熱量只有部分通過(guò)上殼散出的時(shí)候的熱阻參數(shù).

    LFM--風(fēng)速單位,英尺/分鐘.
提供最大Ta、Tj、P--早期的芯片Datasheet一般都是這種.理論上我們只需要保證芯片附近的環(huán)境溫度不超過(guò)這個(gè)指標(biāo)就可以保證芯片可以正常工作.但是實(shí)際并非如此.Ta這個(gè)參數(shù)是按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試而得.JEDEC標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的:把芯片置于一塊3X4.5英寸的4層PCB中間,環(huán)境溫度測(cè)試探頭距離這塊PCB的板邊緣12英寸.可見(jiàn)我們產(chǎn)品幾乎不可能滿足這種測(cè)試條件.因此,Ta在這里對(duì)我們來(lái)說(shuō),沒(méi)什么意義.在這種情況下保守的做法是:保證芯片的殼體溫度Tc﹤Ta-max,一般來(lái)說(shuō)芯片是可以正常工作的.>br>
    直接提供Tc-max--這種情況相對(duì)較少,處理也相對(duì)簡(jiǎn)單.只需保證Tc﹤Tc-max即可.>br>
    提供Tj、Rjc/θjc、P--近2年來(lái),隨著熱設(shè)計(jì)的重要性不斷提高,大部分的芯片資料都會(huì)提供上述參數(shù).基本公式如下:
    Tj=Tc+Rjc*P

    只要保證Tj﹤Tj-max即可保證芯片正常工作.

    歸根結(jié)底,我們只要能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過(guò)芯片給定的最大值,芯片就可以正常工作.
如何判斷芯片是否需要增加散熱措施

    第一步:搜集芯片的散熱參數(shù).主要有:P、Rja、Rjc、Tj等

    第二步:計(jì)算Tc-max:Tc-max=Tj- Rjc*P

    第三步:計(jì)算要達(dá)到目標(biāo)需要的Rca:Rca=(Tc-max-Ta)/P

    第四步:計(jì)算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc

         如果Rca大于 Rca’,說(shuō)明不需要增加額外的散熱措施.

         如果Rca小于Rca’,說(shuō)明需要增加額外的散熱措施.比如增加散熱器、增加風(fēng)扇等等.

    如前所述,Rja不能用于準(zhǔn)確的計(jì)算芯片的溫度,所以這種方法只能用于簡(jiǎn)單的判斷.而不能用于最終的依據(jù).下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:
   例:某芯片功耗——1.7W;Rja——53℃/W;Tj——125℃;Rjc——25℃/W,芯片工作的最大環(huán)境溫度是50℃.判斷該芯片是否需要加散熱器,散熱器熱阻是多少.

    Tc-max=Tj- Rjc*P
          =125℃-25℃/W*1.7W
          =82.5℃

    Rca=(Tc-max-Ta)/P
          =(82.5-50)1.7
          =19.12℃/W

    Rca’=Rja-Rjc
          =53-25
          =28℃/W

    Rca小于Rca’,所以需要增加散熱器.

    散熱器的熱阻假設(shè)為Rs,則有:
    Rs//Rca’小于Rca
    Rs*28/(Rs+28)小于19.12
    Rs小于60.29℃/W

    所以選用的散熱器熱阻必須小于60.29℃/W.
在普通的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,我們很少考慮到集成電路的散熱,因?yàn)榈退傩酒墓囊话愫苄?在正常的自然散熱條件下,芯片的溫升不會(huì)太大.隨著芯片速率的不斷提高,單個(gè)芯片的功耗也逐漸變大,例如:Intel的奔騰CPU的功耗可達(dá)到 25W.當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時(shí),就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣?lái)加快芯片表面熱的釋放,使芯片工作在正常溫度范圍之內(nèi).
    通常條件下,熱量的傳遞包括三種方式:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射.傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞,對(duì)流是借助流體的流動(dòng)傳遞熱量,而輻射無(wú)需借助任何媒介,是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量.
在實(shí)際應(yīng)用中,散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時(shí)使用.散熱器通過(guò)和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器,散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體,它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加,同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能.風(fēng)扇的使用也分為兩種形式,一種是直接安裝在散熱器表面,另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上,提高整個(gè)空間的空氣流速.與電路計(jì)算中最基本的歐姆定律類似,散熱的計(jì)算有一個(gè)最基本的公式:
                  溫差 = 熱阻 × 功耗
    在使用散熱器的情況下,散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻,散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來(lái)代表,這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在,在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差,就像電流流過(guò)電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降一樣.同樣,散熱器與芯片表面之間也會(huì)存在一定的熱阻.熱阻的單位為℃/W.選擇散熱器時(shí),除了機(jī)械尺寸的考慮之外,最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻.熱阻越小,散熱器的散熱能力越強(qiáng).
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淺析高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)
  摘  要 : 闡 述 了 高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 熱 設(shè) 計(jì) 的 一 般 原 則 , 著 重 分 析 了 開(kāi) 關(guān) 電 源 散 熱 器 的 熱 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) .
    關(guān)鍵詞: 高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 ; 熱 設(shè) 計(jì) ; 散 熱 器


1 引 言
    電 子 產(chǎn) 品 對(duì) 工 作 溫 度 一 般 均 有 嚴(yán) 格 的 要 求 . 電 源 設(shè) 備 內(nèi) 部 過(guò) 高 的 溫 升 將 會(huì) 導(dǎo) 致 對(duì) 溫 度 敏 感的 半 導(dǎo) 體 器 件 、 電 解 電 容 等 元 器 件 的 失 效 . 當(dāng) 溫 度 超 過(guò) 一 定 值 時(shí) , 失 效 率 呈 指 數(shù) 規(guī) 律 增 加 .有 統(tǒng) 計(jì) 資 料 表 明 , 電 子 元 器 件 溫 度 每 升 高 2℃ , 可 靠 性 下 降 10% ; 溫 升 50℃ 時(shí) 的 壽 命 只 有 溫 升為 25℃ 時(shí) 的 1/6. 所 以 電 子 設(shè) 備 均 會(huì) 遇 到 控 制 整 個(gè) 機(jī) 箱 及 內(nèi) 部 元 器 件 溫 升 的 要 求 , 這 就 是 電 子設(shè) 備 的 熱 設(shè) 計(jì) . 而 高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 這 一 類 擁 有 大 功 率 發(fā) 熱 器 件 的 設(shè) 備 , 溫 度 更 是 影 響 其 可 靠 性的 最 重 要 的 因 素 , 為 此 對(duì) 整 體 的 熱 設(shè) 計(jì) 有 嚴(yán) 格 要 求 . 完 整 的 熱 設(shè) 計(jì) 包 括 兩 方 面 : 如 何 控 制 熱源 的 發(fā) 熱 量 ; 如 何 將 熱 源 產(chǎn) 生 的 熱 量 散 出 去 . 最 終 目 的 是 如 何 將 達(dá) 到 熱 平 衡 后 的 電 子 設(shè) 備 溫度 控 制 在 允 許 范 圍 以 內(nèi) .
2 發(fā) 熱 控 制 設(shè) 計(jì)
    開(kāi) 關(guān) 電 源 中 主 要 的 發(fā) 熱 元 器 件 為 半 導(dǎo) 體 開(kāi) 關(guān) 管 ( 如 MOSFET、IGBT、 GTR、 SCR等 ) , 大 功 率二 極 管 ( 如 超 快 恢 復(fù) 二 極 管 、 肖 特 基 二 極 管 等 ) , 高 頻 變 壓 器 、 濾 波 電 感 等 磁 性 元 件 以 及 假負(fù) 載 等 . 針 對(duì) 每 一 種 發(fā) 熱 元 器 件 均 有 不 同 的 控 制 發(fā) 熱 量 的 方 法 .
2.1 減 少 功 率 開(kāi) 關(guān) 的 發(fā) 熱 量
    開(kāi) 關(guān) 管 是 高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 中 發(fā) 熱 量 較 大 的 器 件 之 一 , 減 少 它 的 發(fā) 熱 量 , 不 僅 可 以 提 高 開(kāi) 關(guān) 管自 身 的 可 靠 性 , 而 且 也 可 以 降 低 整 機(jī) 溫 度 , 提 高 整 機(jī) 效 率 和 平 均 無(wú) 故 障 時(shí) 間 ( MTBF) . 開(kāi) 關(guān)管 在 正 常 工 作 時(shí) , 呈 開(kāi) 通 、 關(guān) 斷 兩 種 狀 態(tài) , 所 產(chǎn) 生 的 損 耗 可 細(xì) 分 成 兩 種 臨 界 狀 態(tài) 產(chǎn) 生 的 損 耗和 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 產(chǎn) 生 的 損 耗 . 其 中 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 的 損 耗 由 開(kāi) 關(guān) 管 本 身 的 通 態(tài) 電 阻 決 定 . 可 以 通 過(guò) 選 擇低 通 態(tài) 電 阻 的 開(kāi) 關(guān) 管 來(lái) 減 少 這 種 損 耗 . MOSFET的 通 態(tài) 電 阻 較 IGBT的 大 , 但 它 的 工 作 頻 率 高 ,因 此 仍 是 開(kāi) 關(guān) 電 源 設(shè) 計(jì) 的 首 選 器 件 . 現(xiàn) 在 IR公 司 新 推 出 的 IRL3713系 列 HEXFET(六 角 形 場(chǎng) 效 應(yīng)晶 體 管 )功 率 MOSFET已 將 通 態(tài) 電 阻 做 到 3 mΩ , 從 而 使 這 些 器 件 具 有 更 低 的 傳 導(dǎo) 損 失 、 柵 電 荷和 開(kāi) 關(guān) 損 耗 . 美 國(guó) APT公 司 也 有 類 似 的 產(chǎn) 品 . 開(kāi) 通 和 關(guān) 斷 兩 種 臨 界 狀 態(tài) 的 損 耗 也 可 通 過(guò) 選 擇 開(kāi)關(guān) 速 度 更 快 、 恢 復(fù) 時(shí) 間 更 短 的 器 件 來(lái) 減 少 . 但 更 為 重 要 的 則 是 通 過(guò) 設(shè) 計(jì) 更 優(yōu) 的 控 制 方 式 和 緩沖 技 術(shù) 來(lái) 減 少 損 耗 , 這 種 方 法 在 開(kāi) 關(guān) 頻 率 越 高 時(shí) 越 能 體 現(xiàn) 出 優(yōu) 勢(shì) 來(lái) . 如 各 種 軟 開(kāi) 關(guān) 技 術(shù) , 能讓 開(kāi) 關(guān) 管 在 零 電 壓 、 零 電 流 狀 態(tài) 下 開(kāi) 通 或 關(guān) 斷 , 從 而 大 大 減 少 了 這 兩 種 狀 態(tài) 產(chǎn) 生 的 損 耗 . 而一 些 生 產(chǎn) 廠 家 從 成 本 上 考 慮 仍 采 用 硬 開(kāi) 關(guān) 技 術(shù) , 則 可 以 通 過(guò) 各 種 類 型 的 緩 沖 技 術(shù) 來(lái) 減 少 開(kāi) 關(guān)管 的 損 耗 , 提 高 其 可 靠 性 .
2.2 減 少 功 率 二 極 管 的 發(fā) 熱 量
    高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 中 , 功 率 二 極 管 的 應(yīng) 用 有 多 處 , 所選 用 的 種 類 也 不 同 . 對(duì) 于 將 輸 入 50Hz交 流 電 整 流 成 直 流 電 的 功 率 二 極 管 以 及 緩 沖 電 路 中 的快 恢 復(fù) 二 極 管 , 一 般 情 況 下 均 不 會(huì) 有 更 優(yōu) 的 控 制 技 術(shù) 來(lái) 減 少 損 耗 , 只 能 通 過(guò) 選 擇 高 品 質(zhì) 的 器件 , 如 采 用 導(dǎo) 通 壓 降 更 低 的 肖 特 基 二 極 管 或 關(guān) 斷 速 度 更 快 且 軟 恢 復(fù) 的 超 快 恢 復(fù) 二 極 管 , 來(lái) 減少 損 耗 , 降 低 發(fā) 熱 量 . 高 頻 變 壓 器 二 次 側(cè) 的 整 流 電 路 還 可 以 采 用 同 步 整 流 方 式 , 進(jìn) 一 步 減 少整 流 壓 降 損 耗 和 發(fā) 熱 量 , 但 它 們 均 會(huì) 增 加 成 本 . 所 以 生 產(chǎn) 廠 家 如 何 掌 握 性 能 與 成 本 之 間 的 平衡 , 達(dá) 到 性 價(jià) 比 最 高 是 個(gè) 很 值 得 研 究 的 問(wèn) 題 .
2.3 減 少 高 頻 變 壓 器 與 濾 波 電 感 等 磁 性 元 件 的 發(fā) 熱
    高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 中 不 可 缺 少 地 應(yīng) 用 了 各 種 磁 性 元 件 , 如 濾 波 器 中 的 扼 流 圈 、 儲(chǔ) 能 濾 波 電 感 ,隔 離 型 的 電 源 還 有 高 頻 變 壓 器 . 它 們 在 工 作 中 會(huì) 產(chǎn) 生 或 多 或 少 的 銅 損 、 鐵 損 , 這 些 損 耗 以 發(fā)熱 的 方 式 散 發(fā) 出 來(lái) . 尤 其 是 電 感 和 變 壓 器 , 線 圈 中 所 流 的 高 頻 電 流 由 于 趨 膚 效 應(yīng) 的 影 響 , 會(huì)使 銅 損 成 倍 增 加 , 這 樣 電 感 、 變 壓 器 所 產(chǎn) 生 的 損 耗 成 為 不 可 忽 視 的 一 部 分 . 因 此 在 設(shè) 計(jì) 上 要采 用 多 股 細(xì) 漆 包 線 并 聯(lián) 纏 繞 , 或 采 用 寬 而 薄 的 銅 片 纏 繞 , 以 降 低 趨 膚 效 應(yīng) 造 成 的 影 響 . 磁 芯一 般 選 用 高 品 質(zhì) 鐵 氧 體 材 質(zhì) , 如 日 本 生 產(chǎn) 的 TDK磁 性 材 料 . 型 號(hào) 的 選 擇 上 要 留 有 一 定 的 余 量 ,防 止 出 現(xiàn) 磁 飽 和 .
2.4 減 少 假 負(fù) 載 的 發(fā) 熱 量
    大 功 率 開(kāi) 關(guān) 電 源 為 避 免 空 載 狀 態(tài) 引 起 的 電 壓 升 高 , 往 往 設(shè) 有 假 負(fù) 載 — — 大 功 率 電 阻 , 帶 有源 PFC單 元 的 電 源 更 是 如 此 . 開(kāi) 關(guān) 電 源 工 作 時(shí) , 假 負(fù) 載 要 通 過(guò) 少 量 電 流 , 不 但 會(huì) 降 低 開(kāi) 關(guān) 電 源的 效 率 , 而 且 其 發(fā) 熱 量 也 是 影 響 整 機(jī) 熱 穩(wěn) 定 性 的 因 素 . 假 負(fù) 載 在 印 制 板 ( PCB) 上 的 位 置 往 往與 輸 出 濾 波 用 的 電 解 電 容 靠 得 很 近 , 而 電 解 電 容 對(duì) 溫 度 極 為 敏 感 . 因 此 很 有 必 要 降 低 假 負(fù) 載的 發(fā) 熱 量 . 比 較 可 行 的 辦 法 是 將 假 負(fù) 載 設(shè) 計(jì) 成 阻 抗 可 變 方 式 . 通 過(guò) 對(duì) 開(kāi) 關(guān) 電 源 輸 出 電 流 的 檢測(cè) 來(lái) 控 制 假 負(fù) 載 阻 抗 的 大 小 , 當(dāng) 電 源 處 于 正 常 負(fù) 載 時(shí) , 假 負(fù) 載 退 出 消 耗 電 流 狀 態(tài) ; 空 載 時(shí) ,假 負(fù) 載 消 耗 電 流 最 大 . 這 樣 既 不 會(huì) 影 響 電 源 空 載 時(shí) 的 穩(wěn) 定 性 , 也 不 會(huì) 降 低 電 源 的 效 率 和 產(chǎn) 生大 量 不 必 要 的 熱 量 .
3 散 熱 設(shè) 計(jì)
3.1 散 熱 的 基 本 方 式 及 其 計(jì) 算 方 法
    散 熱 有 三 種 基 本 方 式 : 熱 傳 導(dǎo) 、 對(duì) 流 換 熱 和 熱 輻 射 .
    1) 熱 傳 導(dǎo) 靠 物 體 直 接 接 觸 或 物 體 內(nèi) 部 各部 分 之 間 發(fā) 生 的 傳 熱 即 是 熱 傳 導(dǎo) . 其 機(jī) 理 是 不 同 溫 度 的 物 體 或 物 體 不 同 溫 度 的 各 部 分 之 間 、分 子 動(dòng) 能 的 相 互 傳 遞 . 熱 傳 導(dǎo) 與 電 流 的 概 念 非 常 類 似 , 熱 量 總 是 從 溫 度 高 的 地 方 傳 導(dǎo) 到 溫 度低 的 地 方 , 熱 傳 導(dǎo) 過(guò) 程 中 有 熱 阻 存 在 如 同 電 流 流 動(dòng) 過(guò) 程 中 有 電 阻 一 樣 . 其 熱 流 量 式中 Rt為 熱 阻 , τ 為 溫 度 差 . 而 熱 阻, 式 中 δ 為 導(dǎo) 體 厚 度 , λ 為 熱 導(dǎo) 率 , A為 導(dǎo) 體 截面 積 . 這 樣 , 在 開(kāi) 關(guān) 電 源 設(shè) 計(jì) 中 , 可 以 由 發(fā) 熱 源 的 耗 散 功 率 , 求 出 溫 升 τ =Φ Rt. 由 于 實(shí) 際 應(yīng)用 中 , 熱 流 量 從 熱 源 出 發(fā) 到 達(dá) 散 熱 器 往 往 要 經(jīng) 過(guò) 幾 種 不 同 材 料 的 熱 導(dǎo) 體 , 即 存 在 不 同 熱 阻 的串 聯(lián) , 在 計(jì) 算 時(shí) , 總 熱 阻 為 多 個(gè) 熱 阻 的 和 .
    2) 對(duì) 流 換 熱 熱 量 通 過(guò) 熱 傳 導(dǎo) 的 方 式 傳 給 與 它 緊 靠 在 一 起 的 流 體 層 , 這 層 流 體 受 熱 后 , 體積 膨 脹 , 密 度 變 小 , 向 上 流 動(dòng) , 周 圍 的 密 度 大 的 流 體 流 過(guò) 來(lái) 填 充 , 填 充 過(guò) 來(lái) 的 流 體 吸 熱 膨 脹向 上 流 動(dòng) , 如 此 循 環(huán) , 不 斷 從 發(fā) 熱 元 器 件 表 面 帶 走 熱 量 , 這 一 過(guò) 程 稱 為 對(duì) 流 換 熱 . 對(duì) 流 換 熱的 計(jì) 算 一 般 采 用 牛 頓 所 提 出 的 公 式 : Φ =α A(θ 1- θ 2)[W], 其 中 A為 與 流 體 接 觸 的 壁 面 面 積 [m2], α 為 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) , θ 1為 壁 面 溫 度 [K], θ 2為 流 體 平 均 溫 度 [K]. 由 此 可 見(jiàn) , 熱 流 量 Φ 與 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) α , 截 面 積 A及 固 體 表 面 與 流 體 的 溫 度 差 ( θ 1- θ 2) 的 乘 積 成 正 比 . 對(duì) 流換 熱 是 一 種 復(fù) 雜 的 熱 傳 遞 過(guò) 程 , 它 不 僅 決 定 于 熱 的 過(guò) 程 , 而 且 決 定 于 氣 體 的 動(dòng) 力 學(xué) 過(guò) 程 . 簡(jiǎn)單 地 說(shuō) , 影 響 對(duì) 流 換 熱 的 因 素 有 兩 個(gè) 方 面 : ( 1) 流 體 的 物 理 性 質(zhì) , 如 密 度 、 粘 度 、 膨 脹 系 數(shù)、 熱 導(dǎo) 率 、 比 熱 等 ; ( 2) 流 體 的 流 動(dòng) 情 況 , 是 自 然 對(duì) 流 還 是 強(qiáng) 迫 對(duì) 流 , 是 層 流 還 是 紊 流 . 因?yàn)?層 流 時(shí) , 熱 傳 遞 主 要 依 靠 互 不 相 干 的 流 層 之 間 導(dǎo) 熱 ; 而 紊 流 時(shí) , 則 在 緊 貼 壁 面 的 層 流 底 層之 外 , 流 體 產(chǎn) 生 漩 渦 加 強(qiáng) 了 熱 傳 遞 作 用 . 一 般 而 言 , 在 其 它 條 件 相 同 情 況 下 , 紊 流 的 換 熱 系數(shù) 比 層 流 的 換 熱 系 數(shù) 大 好 幾 倍 , 甚 至 更 多 .
    3) 熱 輻 射 由 于 溫 差 引 起 的 電 磁 波 傳 播 稱 為 熱 輻 射 . 它 的 過(guò) 程 比 熱 傳 導(dǎo) 和 對(duì) 流 換 熱 復(fù) 雜 得多 . 它 是 將 物 體 的 一 部 分 熱 能 轉(zhuǎn) 換 成 電 磁 波 的 能 量 , 通 過(guò) 能 傳 遞 電 磁 波 的 介 質(zhì) 如 空 氣 、 真 空等 , 向 四 周 傳 播 出 去 , 當(dāng) 遇 到 其 它 物 體 時(shí) , 則 一 部 分 被 吸 收 再 轉(zhuǎn) 化 為 熱 能 , 剩 下 的 則 被 反 射回 來(lái) . 各 種 物 體 所 散 發(fā) 出 來(lái) 的 紅 外 線 , 即 是 熱 輻 射 的 一 種 . 在 真 空 或 空 氣 中 , 物 體 輻 射 出 去的 輻 射 能 力 Φ , 決 定 于 物 體 的 性 質(zhì) 、 表 面 狀 況 ( 如 顏 色 、粗 糙 度 等 ) 、 表 面 積 大 小 及 表 面 溫 度 等 . Φ =ε σ bA(T14- T24)其 中 σ b為 波 爾 茲 曼 常 數(shù) ,值 為 5.67× 10- 8, A為 輻 射 表 面 積 [m2], T為 兩 物 體 表 面 的 絕 對(duì) 溫 度 [K],ε 為 表 面 黑 度 . 物 體表 面 顏 色 越 深 , 越 粗 糙 , 輻 射 能 力 越 強(qiáng) .
3.2 開(kāi) 關(guān) 電 源 中 各 發(fā) 熱 源 的 主 要 散 熱 方 式
    開(kāi) 關(guān) 電 源 中 各 發(fā) 熱 源 , 如 整 流 橋 、 功 率 開(kāi) 關(guān) 管 、 快 恢 復(fù) 二 極 管 、 磁 性 元 件 以 及 作 為 假 負(fù) 載的 大 功 率 電 阻 等 , 這 些 元 器 件 所 產(chǎn) 生 的 熱 量 必 須 設(shè) 法 散 發(fā) 出 去 , 一 般 熱 設(shè) 計(jì) 所 采 用 的 散 熱 方式 主 要 是 傳 導(dǎo) 換 熱 和 對(duì) 流 換 熱 . 即 所 有 發(fā) 熱 元 器 件 均 先 固 定 在 散 熱 器 上 , 熱 量 通 過(guò) 熱 傳 導(dǎo) 方式 傳 遞 給 散 熱 器 , 散 熱 器 上 的 熱 量 再 通 過(guò) 對(duì) 流 換 熱 的 方 式 由 空 氣 帶 出 機(jī) 箱 . 實(shí) 際 的 散 熱 情 況為 三 種 傳 熱 方 式 的 綜 合 , 可 以 用 牛 頓 公 式 來(lái) 統(tǒng) 一 表 達(dá) : Φ =KSτ , 其 中 S為 散 熱 表 面 積 , K為 表面 散 熱 系 數(shù) . 表 面 散 熱 系 數(shù) 通 常 由 試 驗(yàn) 確 定 , 在 一 般 的 工 程 流 體 力 學(xué) 中 有 數(shù) 據(jù) 可 查 . 它 把 傳熱 的 三 種 形 式 全 部 統(tǒng) 一 起 來(lái) 了 .
    通 過(guò) Φ =KSτ , 我 們 可 以 在 計(jì) 算 出 耗 散 功 率 以 后 , 根 據(jù) 允 許 溫 升 τ 來(lái) 確 定 散 熱 表 面 積 S, 并由 此 而 確 定 所 要 選 用 的 散 熱 器 . 這 種 計(jì) 算 對(duì) 于 提 高 開(kāi) 關(guān) 電 源 的 可 靠 性 、 功 率 密 度 、 性 價(jià) 比 等都 有 著 重 要 意 義 . 在 相 當(dāng) 多 的 情 況 下 , 生 產(chǎn) 廠 家 為 了 降 低 電 源 模 塊 的 成 本 , 往 往 采 用 通 用 型的 散 熱 器 , 這 些 散 熱 器 的 設(shè) 計(jì) 并 不 一 定 非 常 合 適 . 對(duì) 于 特 定 的 要 求 高 可 靠 性 的 通 信 用 高 頻 開(kāi)關(guān) 電 源 來(lái) 說(shuō) , 有 針 對(duì) 性 地 設(shè) 計(jì) 專 門(mén) 的 散 熱 器 就 顯 得 很 重 要 . 例 如 新 西 蘭 的 一 種 用 于 通 信 電 源系 統(tǒng) 的 整 流 模 塊 Intergy R2948( 48 V/60 A) 單 模 塊 輸 出 功 率 2 900 W, 它 所 采 用 的 風(fēng) 冷 散 熱為 前 進(jìn) 風(fēng) , 斜 上 出 風(fēng) 方 式 , 其 散 熱 器 為 專 門(mén) 設(shè) 計(jì) . 它 最 突 出 的 特 點(diǎn) 是 散 熱 器 上 的 散 熱 片 均 呈一 定 的 斜 角 , 可 將 流 過(guò) 的 空 氣 導(dǎo) 向 斜 上 方 , 這 種 流 向 符 合 熱 空 氣 由 下 往 上 流 動(dòng) 的 物 理 特 性 ,這 樣 在 相 同 散 熱 功 率 下 , 可 以 降 低 對(duì) 空 氣 流 速 的 要 求 . 同 時(shí) , 散 熱 片 為 鑄 鋁 磨 砂 外 型 , 表 面粗 糙 度 大 , 這 種 外 形 在 底 流 速 的 空 氣 中 , 更 容 易 使 層 流 轉(zhuǎn) 變 成 紊 流 , 進(jìn) 而 提 高 換 熱 系 數(shù) . 綜合 這 兩 種 特 性 , 可 以 大 大 提 高 散 熱 器 的 散 熱 效 率 , 從 而 在 相 同 功 率 輸 出 和 其 它 外 界 條 件 下 ,降 低 了 對(duì) 風(fēng) 扇 轉(zhuǎn) 速 的 要 求 , 如 果 再 采 取 風(fēng) 扇 隨 功 率 輸 出 大 小 的 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 , 便 可 提 高 風(fēng) 扇 的 壽命 . 而 對(duì) 整 流 模 塊 來(lái) 說(shuō) , 風(fēng) 扇 的 MTBF是 所 有 元 器 件 中 最 低 的 , 一 直 都 是 制 約 整 流 模 塊 提 高 MTBF的 瓶 頸 , 所 以 采 取 各 種 措 施 提 高 散 熱 效 率 來(lái) 延 長(zhǎng) 風(fēng) 扇 壽 命 就 具 有 非 常 積 極 的 意 義 . 原 華為 電 氣 公 司 , 現(xiàn) 在 的 艾 默 生 網(wǎng) 絡(luò) 能 源 公 司 的 部 分 產(chǎn) 品 也 有 類 似 設(shè) 計(jì) , 說(shuō) 明 這 種 設(shè) 計(jì) 方 法 正 被越 來(lái) 越 多 的 電 源 廠 家 采 用 . 由 于 這 種 散 熱 器 需 要 定 做 , 根 據(jù) 用 戶 要 求 加 工 模 具 , 故 成 本 高 一些 , 但 對(duì) 提 高 電 源 的 可 靠 性 還 是 相 當(dāng) 有 益 的 .
4 結(jié) 語(yǔ)
    綜 上 所 述 , 在 高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 的 熱 設(shè) 計(jì) 方 面 , 需 要 考 慮 發(fā) 熱 和 散 熱 兩 方 面 的 情 況 , 優(yōu) 先 采 用 降 低 發(fā) 熱 的 各 類 技 術(shù) , 同 時(shí) 提 高 整 機(jī) 尤 其 是 散 熱 器 的 散 熱 效 率 . 這 種 設(shè) 計(jì) 思 想 從 部 分 廠 家 的 電 源 模 塊 上 得 到 了 驗(yàn) 證 , 為 從 事 電 源 設(shè) 計(jì) 的 人 員 提 供 了 一 點(diǎn) 可 以 借 鑒 的 設(shè) 計(jì) 方 法 .

參 考 文 獻(xiàn)

[1] [美 ].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.氣 體 動(dòng) 力 學(xué) 基 礎(chǔ) [M].北 京 : 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 , 1982.
[2] 徐 國(guó) 策 .高 壓 斷 路 器 原 理 及 應(yīng) 用 [M].北 京 : 清 華 大 學(xué) 出版 社 , 2000.
[3] 蘇 開(kāi) 才 ,毛 宗 源 .現(xiàn) 代 功 率 電 子 技 術(shù) [M].北 京 : 國(guó) 防 工業(yè) 出 版 社 , 1995.

陳義龍

(金鵬集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510665)
0
回復(fù)
孤燈下
LV.7
4
2006-10-02 19:13
@碧海銀沙
淺析高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)  摘  要:闡述了高頻開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的一般原則,著重分析了開(kāi)關(guān)電源散熱器的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).    關(guān)鍵詞:高頻開(kāi)關(guān)電源;熱設(shè)計(jì);散熱器1引言    電子產(chǎn)品對(duì)工作溫度一般均有嚴(yán)格的要求.電源設(shè)備內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效.當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),失效率呈指數(shù)規(guī)律增加.有統(tǒng)計(jì)資料表明,電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%;溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6.所以電子設(shè)備均會(huì)遇到控制整個(gè)機(jī)箱及內(nèi)部元器件溫升的要求,這就是電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì).而高頻開(kāi)關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備,溫度更是影響其可靠性的最重要的因素,為此對(duì)整體的熱設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求.完整的熱設(shè)計(jì)包括兩方面:如何控制熱源的發(fā)熱量;如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去.最終目的是如何將達(dá)到熱平衡后的電子設(shè)備溫度控制在允許范圍以內(nèi).2發(fā)熱控制設(shè)計(jì)    開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管(如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等),大功率二極管(如超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等),高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負(fù)載等.針對(duì)每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法.2.1減少功率開(kāi)關(guān)的發(fā)熱量    開(kāi)關(guān)管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一,減少它的發(fā)熱量,不僅可以提高開(kāi)關(guān)管自身的可靠性,而且也可以降低整機(jī)溫度,提高整機(jī)效率和平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF).開(kāi)關(guān)管在正常工作時(shí),呈開(kāi)通、關(guān)斷兩種狀態(tài),所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)產(chǎn)生的損耗和導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生的損耗.其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開(kāi)關(guān)管本身的通態(tài)電阻決定.可以通過(guò)選擇低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減少這種損耗.MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大,但它的工作頻率高,因此仍是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的首選器件.現(xiàn)在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形場(chǎng)效應(yīng)晶體管)功率MOSFET已將通態(tài)電阻做到3mΩ,從而使這些器件具有更低的傳導(dǎo)損失、柵電荷和開(kāi)關(guān)損耗.美國(guó)APT公司也有類似的產(chǎn)品.開(kāi)通和關(guān)斷兩種臨界狀態(tài)的損耗也可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少.但更為重要的則是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減少損耗,這種方法在開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)越能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)來(lái).如各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),能讓開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流狀態(tài)下開(kāi)通或關(guān)斷,從而大大減少了這兩種狀態(tài)產(chǎn)生的損耗.而一些生產(chǎn)廠家從成本上考慮仍采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù),則可以通過(guò)各種類型的緩沖技術(shù)來(lái)減少開(kāi)關(guān)管的損耗,提高其可靠性.2.2減少功率二極管的發(fā)熱量    高頻開(kāi)關(guān)電源中,功率二極管的應(yīng)用有多處,所選用的種類也不同.對(duì)于將輸入50Hz交流電整流成直流電的功率二極管以及緩沖電路中的快恢復(fù)二極管,一般情況下均不會(huì)有更優(yōu)的控制技術(shù)來(lái)減少損耗,只能通過(guò)選擇高品質(zhì)的器件,如采用導(dǎo)通壓降更低的肖特基二極管或關(guān)斷速度更快且軟恢復(fù)的超快恢復(fù)二極管,來(lái)減少損耗,降低發(fā)熱量.高頻變壓器二次側(cè)的整流電路還可以采用同步整流方式,進(jìn)一步減少整流壓降損耗和發(fā)熱量,但它們均會(huì)增加成本.所以生產(chǎn)廠家如何掌握性能與成本之間的平衡,達(dá)到性價(jià)比最高是個(gè)很值得研究的問(wèn)題.2.3減少高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的發(fā)熱    高頻開(kāi)關(guān)電源中不可缺少地應(yīng)用了各種磁性元件,如濾波器中的扼流圈、儲(chǔ)能濾波電感,隔離型的電源還有高頻變壓器.它們?cè)诠ぷ髦袝?huì)產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損,這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來(lái).尤其是電感和變壓器,線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應(yīng)的影響,會(huì)使銅損成倍增加,這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分.因此在設(shè)計(jì)上要采用多股細(xì)漆包線并聯(lián)纏繞,或采用寬而薄的銅片纏繞,以降低趨膚效應(yīng)造成的影響.磁芯一般選用高品質(zhì)鐵氧體材質(zhì),如日本生產(chǎn)的TDK磁性材料.型號(hào)的選擇上要留有一定的余量,防止出現(xiàn)磁飽和.2.4減少假負(fù)載的發(fā)熱量    大功率開(kāi)關(guān)電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高,往往設(shè)有假負(fù)載——大功率電阻,帶有源PFC單元的電源更是如此.開(kāi)關(guān)電源工作時(shí),假負(fù)載要通過(guò)少量電流,不但會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的效率,而且其發(fā)熱量也是影響整機(jī)熱穩(wěn)定性的因素.假負(fù)載在印制板(PCB)上的位置往往與輸出濾波用的電解電容靠得很近,而電解電容對(duì)溫度極為敏感.因此很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量.比較可行的辦法是將假負(fù)載設(shè)計(jì)成阻抗可變方式.通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電流的檢測(cè)來(lái)控制假負(fù)載阻抗的大小,當(dāng)電源處于正常負(fù)載時(shí),假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài);空載時(shí),假負(fù)載消耗電流最大.這樣既不會(huì)影響電源空載時(shí)的穩(wěn)定性,也不會(huì)降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量.3散熱設(shè)計(jì)3.1散熱的基本方式及其計(jì)算方法    散熱有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和熱輻射.    1)熱傳導(dǎo)靠物體直接接觸或物體內(nèi)部各部分之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導(dǎo).其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間、分子動(dòng)能的相互傳遞.熱傳導(dǎo)與電流的概念非常類似,熱量總是從溫度高的地方傳導(dǎo)到溫度低的地方,熱傳導(dǎo)過(guò)程中有熱阻存在如同電流流動(dòng)過(guò)程中有電阻一樣.其熱流量式中Rt為熱阻,τ為溫度差.而熱阻,式中δ為導(dǎo)體厚度,λ為熱導(dǎo)率,A為導(dǎo)體截面積.這樣,在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,可以由發(fā)熱源的耗散功率,求出溫升τ=ΦRt.由于實(shí)際應(yīng)用中,熱流量從熱源出發(fā)到達(dá)散熱器往往要經(jīng)過(guò)幾種不同材料的熱導(dǎo)體,即存在不同熱阻的串聯(lián),在計(jì)算時(shí),總熱阻為多個(gè)熱阻的和.    2)對(duì)流換熱熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層,這層流體受熱后,體積膨脹,密度變小,向上流動(dòng),周圍的密度大的流體流過(guò)來(lái)填充,填充過(guò)來(lái)的流體吸熱膨脹向上流動(dòng),如此循環(huán),不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量,這一過(guò)程稱為對(duì)流換熱.對(duì)流換熱的計(jì)算一般采用牛頓所提出的公式:Φ=αA(θ1-θ2)[W],其中A為與流體接觸的壁面面積[m2],α為對(duì)流換熱系數(shù),θ1為壁面溫度[K],θ2為流體平均溫度[K].由此可見(jiàn),熱流量Φ與對(duì)流換熱系數(shù)α,截面積A及固體表面與流體的溫度差(θ1-θ2)的乘積成正比.對(duì)流換熱是一種復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程,它不僅決定于熱的過(guò)程,而且決定于氣體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.簡(jiǎn)單地說(shuō),影響對(duì)流換熱的因素有兩個(gè)方面:(1)流體的物理性質(zhì),如密度、粘度、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱等;(2)流體的流動(dòng)情況,是自然對(duì)流還是強(qiáng)迫對(duì)流,是層流還是紊流.因?yàn)閷恿鲿r(shí),熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間導(dǎo)熱;而紊流時(shí),則在緊貼壁面的層流底層之外,流體產(chǎn)生漩渦加強(qiáng)了熱傳遞作用.一般而言,在其它條件相同情況下,紊流的換熱系數(shù)比層流的換熱系數(shù)大好幾倍,甚至更多.    3)熱輻射由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射.它的過(guò)程比熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱復(fù)雜得多.它是將物體的一部分熱能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量,通過(guò)能傳遞電磁波的介質(zhì)如空氣、真空等,向四周傳播出去,當(dāng)遇到其它物體時(shí),則一部分被吸收再轉(zhuǎn)化為熱能,剩下的則被反射回來(lái).各種物體所散發(fā)出來(lái)的紅外線,即是熱輻射的一種.在真空或空氣中,物體輻射出去的輻射能力Φ,決定于物體的性質(zhì)、表面狀況(如顏色、粗糙度等)、表面積大小及表面溫度等.Φ=εσbA(T14-T24)其中σb為波爾茲曼常數(shù),值為5.67×10-8,A為輻射表面積[m2],T為兩物體表面的絕對(duì)溫度[K],ε為表面黑度.物體表面顏色越深,越粗糙,輻射能力越強(qiáng).3.2開(kāi)關(guān)電源中各發(fā)熱源的主要散熱方式    開(kāi)關(guān)電源中各發(fā)熱源,如整流橋、功率開(kāi)關(guān)管、快恢復(fù)二極管、磁性元件以及作為假負(fù)載的大功率電阻等,這些元器件所產(chǎn)生的熱量必須設(shè)法散發(fā)出去,一般熱設(shè)計(jì)所采用的散熱方式主要是傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱.即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上,熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器,散熱器上的熱量再通過(guò)對(duì)流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱.實(shí)際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合,可以用牛頓公式來(lái)統(tǒng)一表達(dá):Φ=KSτ,其中S為散熱表面積,K為表面散熱系數(shù).表面散熱系數(shù)通常由試驗(yàn)確定,在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查.它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來(lái)了.    通過(guò)Φ=KSτ,我們可以在計(jì)算出耗散功率以后,根據(jù)允許溫升τ來(lái)確定散熱表面積S,并由此而確定所要選用的散熱器.這種計(jì)算對(duì)于提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性、功率密度、性價(jià)比等都有著重要意義.在相當(dāng)多的情況下,生產(chǎn)廠家為了降低電源模塊的成本,往往采用通用型的散熱器,這些散熱器的設(shè)計(jì)并不一定非常合適.對(duì)于特定的要求高可靠性的通信用高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專門(mén)的散熱器就顯得很重要.例如新西蘭的一種用于通信電源系統(tǒng)的整流模塊IntergyR2948(48V/60A)單模塊輸出功率2900W,它所采用的風(fēng)冷散熱為前進(jìn)風(fēng),斜上出風(fēng)方式,其散熱器為專門(mén)設(shè)計(jì).它最突出的特點(diǎn)是散熱器上的散熱片均呈一定的斜角,可將流過(guò)的空氣導(dǎo)向斜上方,這種流向符合熱空氣由下往上流動(dòng)的物理特性,這樣在相同散熱功率下,可以降低對(duì)空氣流速的要求.同時(shí),散熱片為鑄鋁磨砂外型,表面粗糙度大,這種外形在底流速的空氣中,更容易使層流轉(zhuǎn)變成紊流,進(jìn)而提高換熱系數(shù).綜合這兩種特性,可以大大提高散熱器的散熱效率,從而在相同功率輸出和其它外界條件下,降低了對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求,如果再采取風(fēng)扇隨功率輸出大小的無(wú)級(jí)調(diào)速,便可提高風(fēng)扇的壽命.而對(duì)整流模塊來(lái)說(shuō),風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的,一直都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸,所以采取各種措施提高散熱效率來(lái)延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命就具有非常積極的意義.原華為電氣公司,現(xiàn)在的艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的部分產(chǎn)品也有類似設(shè)計(jì),說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方法正被越來(lái)越多的電源廠家采用.由于這種散熱器需要定做,根據(jù)用戶要求加工模具,故成本高一些,但對(duì)提高電源的可靠性還是相當(dāng)有益的.4結(jié)語(yǔ)    綜上所述,在高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)方面,需要考慮發(fā)熱和散熱兩方面的情況,優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各類技術(shù),同時(shí)提高整機(jī)尤其是散熱器的散熱效率.這種設(shè)計(jì)思想從部分廠家的電源模塊上得到了驗(yàn)證,為從事電源設(shè)計(jì)的人員提供了一點(diǎn)可以借鑒的設(shè)計(jì)方法.參考文獻(xiàn)[1][美].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.[2]徐國(guó)策.高壓斷路器原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.[3]蘇開(kāi)才,毛宗源.現(xiàn)代功率電子技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.陳義龍(金鵬集團(tuán)有限公司,廣東廣州510665)
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2006-10-02 21:33
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淺析高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)  摘  要:闡述了高頻開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的一般原則,著重分析了開(kāi)關(guān)電源散熱器的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).    關(guān)鍵詞:高頻開(kāi)關(guān)電源;熱設(shè)計(jì);散熱器1引言    電子產(chǎn)品對(duì)工作溫度一般均有嚴(yán)格的要求.電源設(shè)備內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效.當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),失效率呈指數(shù)規(guī)律增加.有統(tǒng)計(jì)資料表明,電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%;溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6.所以電子設(shè)備均會(huì)遇到控制整個(gè)機(jī)箱及內(nèi)部元器件溫升的要求,這就是電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì).而高頻開(kāi)關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備,溫度更是影響其可靠性的最重要的因素,為此對(duì)整體的熱設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求.完整的熱設(shè)計(jì)包括兩方面:如何控制熱源的發(fā)熱量;如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去.最終目的是如何將達(dá)到熱平衡后的電子設(shè)備溫度控制在允許范圍以內(nèi).2發(fā)熱控制設(shè)計(jì)    開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管(如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等),大功率二極管(如超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等),高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負(fù)載等.針對(duì)每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法.2.1減少功率開(kāi)關(guān)的發(fā)熱量    開(kāi)關(guān)管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一,減少它的發(fā)熱量,不僅可以提高開(kāi)關(guān)管自身的可靠性,而且也可以降低整機(jī)溫度,提高整機(jī)效率和平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF).開(kāi)關(guān)管在正常工作時(shí),呈開(kāi)通、關(guān)斷兩種狀態(tài),所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)產(chǎn)生的損耗和導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生的損耗.其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開(kāi)關(guān)管本身的通態(tài)電阻決定.可以通過(guò)選擇低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減少這種損耗.MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大,但它的工作頻率高,因此仍是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的首選器件.現(xiàn)在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形場(chǎng)效應(yīng)晶體管)功率MOSFET已將通態(tài)電阻做到3mΩ,從而使這些器件具有更低的傳導(dǎo)損失、柵電荷和開(kāi)關(guān)損耗.美國(guó)APT公司也有類似的產(chǎn)品.開(kāi)通和關(guān)斷兩種臨界狀態(tài)的損耗也可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少.但更為重要的則是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減少損耗,這種方法在開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)越能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)來(lái).如各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),能讓開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流狀態(tài)下開(kāi)通或關(guān)斷,從而大大減少了這兩種狀態(tài)產(chǎn)生的損耗.而一些生產(chǎn)廠家從成本上考慮仍采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù),則可以通過(guò)各種類型的緩沖技術(shù)來(lái)減少開(kāi)關(guān)管的損耗,提高其可靠性.2.2減少功率二極管的發(fā)熱量    高頻開(kāi)關(guān)電源中,功率二極管的應(yīng)用有多處,所選用的種類也不同.對(duì)于將輸入50Hz交流電整流成直流電的功率二極管以及緩沖電路中的快恢復(fù)二極管,一般情況下均不會(huì)有更優(yōu)的控制技術(shù)來(lái)減少損耗,只能通過(guò)選擇高品質(zhì)的器件,如采用導(dǎo)通壓降更低的肖特基二極管或關(guān)斷速度更快且軟恢復(fù)的超快恢復(fù)二極管,來(lái)減少損耗,降低發(fā)熱量.高頻變壓器二次側(cè)的整流電路還可以采用同步整流方式,進(jìn)一步減少整流壓降損耗和發(fā)熱量,但它們均會(huì)增加成本.所以生產(chǎn)廠家如何掌握性能與成本之間的平衡,達(dá)到性價(jià)比最高是個(gè)很值得研究的問(wèn)題.2.3減少高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的發(fā)熱    高頻開(kāi)關(guān)電源中不可缺少地應(yīng)用了各種磁性元件,如濾波器中的扼流圈、儲(chǔ)能濾波電感,隔離型的電源還有高頻變壓器.它們?cè)诠ぷ髦袝?huì)產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損,這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來(lái).尤其是電感和變壓器,線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應(yīng)的影響,會(huì)使銅損成倍增加,這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分.因此在設(shè)計(jì)上要采用多股細(xì)漆包線并聯(lián)纏繞,或采用寬而薄的銅片纏繞,以降低趨膚效應(yīng)造成的影響.磁芯一般選用高品質(zhì)鐵氧體材質(zhì),如日本生產(chǎn)的TDK磁性材料.型號(hào)的選擇上要留有一定的余量,防止出現(xiàn)磁飽和.2.4減少假負(fù)載的發(fā)熱量    大功率開(kāi)關(guān)電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高,往往設(shè)有假負(fù)載——大功率電阻,帶有源PFC單元的電源更是如此.開(kāi)關(guān)電源工作時(shí),假負(fù)載要通過(guò)少量電流,不但會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的效率,而且其發(fā)熱量也是影響整機(jī)熱穩(wěn)定性的因素.假負(fù)載在印制板(PCB)上的位置往往與輸出濾波用的電解電容靠得很近,而電解電容對(duì)溫度極為敏感.因此很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量.比較可行的辦法是將假負(fù)載設(shè)計(jì)成阻抗可變方式.通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電流的檢測(cè)來(lái)控制假負(fù)載阻抗的大小,當(dāng)電源處于正常負(fù)載時(shí),假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài);空載時(shí),假負(fù)載消耗電流最大.這樣既不會(huì)影響電源空載時(shí)的穩(wěn)定性,也不會(huì)降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量.3散熱設(shè)計(jì)3.1散熱的基本方式及其計(jì)算方法    散熱有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和熱輻射.    1)熱傳導(dǎo)靠物體直接接觸或物體內(nèi)部各部分之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導(dǎo).其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間、分子動(dòng)能的相互傳遞.熱傳導(dǎo)與電流的概念非常類似,熱量總是從溫度高的地方傳導(dǎo)到溫度低的地方,熱傳導(dǎo)過(guò)程中有熱阻存在如同電流流動(dòng)過(guò)程中有電阻一樣.其熱流量式中Rt為熱阻,τ為溫度差.而熱阻,式中δ為導(dǎo)體厚度,λ為熱導(dǎo)率,A為導(dǎo)體截面積.這樣,在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,可以由發(fā)熱源的耗散功率,求出溫升τ=ΦRt.由于實(shí)際應(yīng)用中,熱流量從熱源出發(fā)到達(dá)散熱器往往要經(jīng)過(guò)幾種不同材料的熱導(dǎo)體,即存在不同熱阻的串聯(lián),在計(jì)算時(shí),總熱阻為多個(gè)熱阻的和.    2)對(duì)流換熱熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層,這層流體受熱后,體積膨脹,密度變小,向上流動(dòng),周圍的密度大的流體流過(guò)來(lái)填充,填充過(guò)來(lái)的流體吸熱膨脹向上流動(dòng),如此循環(huán),不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量,這一過(guò)程稱為對(duì)流換熱.對(duì)流換熱的計(jì)算一般采用牛頓所提出的公式:Φ=αA(θ1-θ2)[W],其中A為與流體接觸的壁面面積[m2],α為對(duì)流換熱系數(shù),θ1為壁面溫度[K],θ2為流體平均溫度[K].由此可見(jiàn),熱流量Φ與對(duì)流換熱系數(shù)α,截面積A及固體表面與流體的溫度差(θ1-θ2)的乘積成正比.對(duì)流換熱是一種復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程,它不僅決定于熱的過(guò)程,而且決定于氣體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.簡(jiǎn)單地說(shuō),影響對(duì)流換熱的因素有兩個(gè)方面:(1)流體的物理性質(zhì),如密度、粘度、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱等;(2)流體的流動(dòng)情況,是自然對(duì)流還是強(qiáng)迫對(duì)流,是層流還是紊流.因?yàn)閷恿鲿r(shí),熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間導(dǎo)熱;而紊流時(shí),則在緊貼壁面的層流底層之外,流體產(chǎn)生漩渦加強(qiáng)了熱傳遞作用.一般而言,在其它條件相同情況下,紊流的換熱系數(shù)比層流的換熱系數(shù)大好幾倍,甚至更多.    3)熱輻射由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射.它的過(guò)程比熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱復(fù)雜得多.它是將物體的一部分熱能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量,通過(guò)能傳遞電磁波的介質(zhì)如空氣、真空等,向四周傳播出去,當(dāng)遇到其它物體時(shí),則一部分被吸收再轉(zhuǎn)化為熱能,剩下的則被反射回來(lái).各種物體所散發(fā)出來(lái)的紅外線,即是熱輻射的一種.在真空或空氣中,物體輻射出去的輻射能力Φ,決定于物體的性質(zhì)、表面狀況(如顏色、粗糙度等)、表面積大小及表面溫度等.Φ=εσbA(T14-T24)其中σb為波爾茲曼常數(shù),值為5.67×10-8,A為輻射表面積[m2],T為兩物體表面的絕對(duì)溫度[K],ε為表面黑度.物體表面顏色越深,越粗糙,輻射能力越強(qiáng).3.2開(kāi)關(guān)電源中各發(fā)熱源的主要散熱方式    開(kāi)關(guān)電源中各發(fā)熱源,如整流橋、功率開(kāi)關(guān)管、快恢復(fù)二極管、磁性元件以及作為假負(fù)載的大功率電阻等,這些元器件所產(chǎn)生的熱量必須設(shè)法散發(fā)出去,一般熱設(shè)計(jì)所采用的散熱方式主要是傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱.即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上,熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器,散熱器上的熱量再通過(guò)對(duì)流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱.實(shí)際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合,可以用牛頓公式來(lái)統(tǒng)一表達(dá):Φ=KSτ,其中S為散熱表面積,K為表面散熱系數(shù).表面散熱系數(shù)通常由試驗(yàn)確定,在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查.它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來(lái)了.    通過(guò)Φ=KSτ,我們可以在計(jì)算出耗散功率以后,根據(jù)允許溫升τ來(lái)確定散熱表面積S,并由此而確定所要選用的散熱器.這種計(jì)算對(duì)于提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性、功率密度、性價(jià)比等都有著重要意義.在相當(dāng)多的情況下,生產(chǎn)廠家為了降低電源模塊的成本,往往采用通用型的散熱器,這些散熱器的設(shè)計(jì)并不一定非常合適.對(duì)于特定的要求高可靠性的通信用高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專門(mén)的散熱器就顯得很重要.例如新西蘭的一種用于通信電源系統(tǒng)的整流模塊IntergyR2948(48V/60A)單模塊輸出功率2900W,它所采用的風(fēng)冷散熱為前進(jìn)風(fēng),斜上出風(fēng)方式,其散熱器為專門(mén)設(shè)計(jì).它最突出的特點(diǎn)是散熱器上的散熱片均呈一定的斜角,可將流過(guò)的空氣導(dǎo)向斜上方,這種流向符合熱空氣由下往上流動(dòng)的物理特性,這樣在相同散熱功率下,可以降低對(duì)空氣流速的要求.同時(shí),散熱片為鑄鋁磨砂外型,表面粗糙度大,這種外形在底流速的空氣中,更容易使層流轉(zhuǎn)變成紊流,進(jìn)而提高換熱系數(shù).綜合這兩種特性,可以大大提高散熱器的散熱效率,從而在相同功率輸出和其它外界條件下,降低了對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求,如果再采取風(fēng)扇隨功率輸出大小的無(wú)級(jí)調(diào)速,便可提高風(fēng)扇的壽命.而對(duì)整流模塊來(lái)說(shuō),風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的,一直都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸,所以采取各種措施提高散熱效率來(lái)延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命就具有非常積極的意義.原華為電氣公司,現(xiàn)在的艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的部分產(chǎn)品也有類似設(shè)計(jì),說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方法正被越來(lái)越多的電源廠家采用.由于這種散熱器需要定做,根據(jù)用戶要求加工模具,故成本高一些,但對(duì)提高電源的可靠性還是相當(dāng)有益的.4結(jié)語(yǔ)    綜上所述,在高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)方面,需要考慮發(fā)熱和散熱兩方面的情況,優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各類技術(shù),同時(shí)提高整機(jī)尤其是散熱器的散熱效率.這種設(shè)計(jì)思想從部分廠家的電源模塊上得到了驗(yàn)證,為從事電源設(shè)計(jì)的人員提供了一點(diǎn)可以借鑒的設(shè)計(jì)方法.參考文獻(xiàn)[1][美].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.[2]徐國(guó)策.高壓斷路器原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.[3]蘇開(kāi)才,毛宗源.現(xiàn)代功率電子技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.陳義龍(金鵬集團(tuán)有限公司,廣東廣州510665)
電子設(shè)備熱管理的最新技術(shù)及方法
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2006-10-03 10:46
@碧海銀沙
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發(fā)熱元器件的溫度場(chǎng)及發(fā)熱功率的測(cè)量方法
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計(jì)算機(jī)仿真在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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散熱片之設(shè)計(jì)與在電子冷卻技術(shù)中之應(yīng)用
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感謝感謝!再頂一下.
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wangmn
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好人.
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@碧海銀沙
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好東西啊!兄弟!及時(shí)雨啊!天氣熱了!正在為散熱發(fā)愁呢!!
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yuanzhijunj
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2007-04-09 15:37
頂上去!
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chrisn
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2007-04-09 16:12
@碧海銀沙
淺析高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)  摘  要:闡述了高頻開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的一般原則,著重分析了開(kāi)關(guān)電源散熱器的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).    關(guān)鍵詞:高頻開(kāi)關(guān)電源;熱設(shè)計(jì);散熱器1引言    電子產(chǎn)品對(duì)工作溫度一般均有嚴(yán)格的要求.電源設(shè)備內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效.當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),失效率呈指數(shù)規(guī)律增加.有統(tǒng)計(jì)資料表明,電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%;溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6.所以電子設(shè)備均會(huì)遇到控制整個(gè)機(jī)箱及內(nèi)部元器件溫升的要求,這就是電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì).而高頻開(kāi)關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備,溫度更是影響其可靠性的最重要的因素,為此對(duì)整體的熱設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求.完整的熱設(shè)計(jì)包括兩方面:如何控制熱源的發(fā)熱量;如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去.最終目的是如何將達(dá)到熱平衡后的電子設(shè)備溫度控制在允許范圍以內(nèi).2發(fā)熱控制設(shè)計(jì)    開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管(如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等),大功率二極管(如超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等),高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負(fù)載等.針對(duì)每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法.2.1減少功率開(kāi)關(guān)的發(fā)熱量    開(kāi)關(guān)管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一,減少它的發(fā)熱量,不僅可以提高開(kāi)關(guān)管自身的可靠性,而且也可以降低整機(jī)溫度,提高整機(jī)效率和平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF).開(kāi)關(guān)管在正常工作時(shí),呈開(kāi)通、關(guān)斷兩種狀態(tài),所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)產(chǎn)生的損耗和導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生的損耗.其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開(kāi)關(guān)管本身的通態(tài)電阻決定.可以通過(guò)選擇低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減少這種損耗.MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大,但它的工作頻率高,因此仍是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的首選器件.現(xiàn)在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形場(chǎng)效應(yīng)晶體管)功率MOSFET已將通態(tài)電阻做到3mΩ,從而使這些器件具有更低的傳導(dǎo)損失、柵電荷和開(kāi)關(guān)損耗.美國(guó)APT公司也有類似的產(chǎn)品.開(kāi)通和關(guān)斷兩種臨界狀態(tài)的損耗也可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少.但更為重要的則是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減少損耗,這種方法在開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)越能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)來(lái).如各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),能讓開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流狀態(tài)下開(kāi)通或關(guān)斷,從而大大減少了這兩種狀態(tài)產(chǎn)生的損耗.而一些生產(chǎn)廠家從成本上考慮仍采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù),則可以通過(guò)各種類型的緩沖技術(shù)來(lái)減少開(kāi)關(guān)管的損耗,提高其可靠性.2.2減少功率二極管的發(fā)熱量    高頻開(kāi)關(guān)電源中,功率二極管的應(yīng)用有多處,所選用的種類也不同.對(duì)于將輸入50Hz交流電整流成直流電的功率二極管以及緩沖電路中的快恢復(fù)二極管,一般情況下均不會(huì)有更優(yōu)的控制技術(shù)來(lái)減少損耗,只能通過(guò)選擇高品質(zhì)的器件,如采用導(dǎo)通壓降更低的肖特基二極管或關(guān)斷速度更快且軟恢復(fù)的超快恢復(fù)二極管,來(lái)減少損耗,降低發(fā)熱量.高頻變壓器二次側(cè)的整流電路還可以采用同步整流方式,進(jìn)一步減少整流壓降損耗和發(fā)熱量,但它們均會(huì)增加成本.所以生產(chǎn)廠家如何掌握性能與成本之間的平衡,達(dá)到性價(jià)比最高是個(gè)很值得研究的問(wèn)題.2.3減少高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的發(fā)熱    高頻開(kāi)關(guān)電源中不可缺少地應(yīng)用了各種磁性元件,如濾波器中的扼流圈、儲(chǔ)能濾波電感,隔離型的電源還有高頻變壓器.它們?cè)诠ぷ髦袝?huì)產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損,這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來(lái).尤其是電感和變壓器,線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應(yīng)的影響,會(huì)使銅損成倍增加,這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分.因此在設(shè)計(jì)上要采用多股細(xì)漆包線并聯(lián)纏繞,或采用寬而薄的銅片纏繞,以降低趨膚效應(yīng)造成的影響.磁芯一般選用高品質(zhì)鐵氧體材質(zhì),如日本生產(chǎn)的TDK磁性材料.型號(hào)的選擇上要留有一定的余量,防止出現(xiàn)磁飽和.2.4減少假負(fù)載的發(fā)熱量    大功率開(kāi)關(guān)電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高,往往設(shè)有假負(fù)載——大功率電阻,帶有源PFC單元的電源更是如此.開(kāi)關(guān)電源工作時(shí),假負(fù)載要通過(guò)少量電流,不但會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的效率,而且其發(fā)熱量也是影響整機(jī)熱穩(wěn)定性的因素.假負(fù)載在印制板(PCB)上的位置往往與輸出濾波用的電解電容靠得很近,而電解電容對(duì)溫度極為敏感.因此很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量.比較可行的辦法是將假負(fù)載設(shè)計(jì)成阻抗可變方式.通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電流的檢測(cè)來(lái)控制假負(fù)載阻抗的大小,當(dāng)電源處于正常負(fù)載時(shí),假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài);空載時(shí),假負(fù)載消耗電流最大.這樣既不會(huì)影響電源空載時(shí)的穩(wěn)定性,也不會(huì)降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量.3散熱設(shè)計(jì)3.1散熱的基本方式及其計(jì)算方法    散熱有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和熱輻射.    1)熱傳導(dǎo)靠物體直接接觸或物體內(nèi)部各部分之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導(dǎo).其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間、分子動(dòng)能的相互傳遞.熱傳導(dǎo)與電流的概念非常類似,熱量總是從溫度高的地方傳導(dǎo)到溫度低的地方,熱傳導(dǎo)過(guò)程中有熱阻存在如同電流流動(dòng)過(guò)程中有電阻一樣.其熱流量式中Rt為熱阻,τ為溫度差.而熱阻,式中δ為導(dǎo)體厚度,λ為熱導(dǎo)率,A為導(dǎo)體截面積.這樣,在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,可以由發(fā)熱源的耗散功率,求出溫升τ=ΦRt.由于實(shí)際應(yīng)用中,熱流量從熱源出發(fā)到達(dá)散熱器往往要經(jīng)過(guò)幾種不同材料的熱導(dǎo)體,即存在不同熱阻的串聯(lián),在計(jì)算時(shí),總熱阻為多個(gè)熱阻的和.    2)對(duì)流換熱熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層,這層流體受熱后,體積膨脹,密度變小,向上流動(dòng),周圍的密度大的流體流過(guò)來(lái)填充,填充過(guò)來(lái)的流體吸熱膨脹向上流動(dòng),如此循環(huán),不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量,這一過(guò)程稱為對(duì)流換熱.對(duì)流換熱的計(jì)算一般采用牛頓所提出的公式:Φ=αA(θ1-θ2)[W],其中A為與流體接觸的壁面面積[m2],α為對(duì)流換熱系數(shù),θ1為壁面溫度[K],θ2為流體平均溫度[K].由此可見(jiàn),熱流量Φ與對(duì)流換熱系數(shù)α,截面積A及固體表面與流體的溫度差(θ1-θ2)的乘積成正比.對(duì)流換熱是一種復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程,它不僅決定于熱的過(guò)程,而且決定于氣體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.簡(jiǎn)單地說(shuō),影響對(duì)流換熱的因素有兩個(gè)方面:(1)流體的物理性質(zhì),如密度、粘度、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱等;(2)流體的流動(dòng)情況,是自然對(duì)流還是強(qiáng)迫對(duì)流,是層流還是紊流.因?yàn)閷恿鲿r(shí),熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間導(dǎo)熱;而紊流時(shí),則在緊貼壁面的層流底層之外,流體產(chǎn)生漩渦加強(qiáng)了熱傳遞作用.一般而言,在其它條件相同情況下,紊流的換熱系數(shù)比層流的換熱系數(shù)大好幾倍,甚至更多.    3)熱輻射由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射.它的過(guò)程比熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱復(fù)雜得多.它是將物體的一部分熱能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量,通過(guò)能傳遞電磁波的介質(zhì)如空氣、真空等,向四周傳播出去,當(dāng)遇到其它物體時(shí),則一部分被吸收再轉(zhuǎn)化為熱能,剩下的則被反射回來(lái).各種物體所散發(fā)出來(lái)的紅外線,即是熱輻射的一種.在真空或空氣中,物體輻射出去的輻射能力Φ,決定于物體的性質(zhì)、表面狀況(如顏色、粗糙度等)、表面積大小及表面溫度等.Φ=εσbA(T14-T24)其中σb為波爾茲曼常數(shù),值為5.67×10-8,A為輻射表面積[m2],T為兩物體表面的絕對(duì)溫度[K],ε為表面黑度.物體表面顏色越深,越粗糙,輻射能力越強(qiáng).3.2開(kāi)關(guān)電源中各發(fā)熱源的主要散熱方式    開(kāi)關(guān)電源中各發(fā)熱源,如整流橋、功率開(kāi)關(guān)管、快恢復(fù)二極管、磁性元件以及作為假負(fù)載的大功率電阻等,這些元器件所產(chǎn)生的熱量必須設(shè)法散發(fā)出去,一般熱設(shè)計(jì)所采用的散熱方式主要是傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱.即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上,熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器,散熱器上的熱量再通過(guò)對(duì)流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱.實(shí)際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合,可以用牛頓公式來(lái)統(tǒng)一表達(dá):Φ=KSτ,其中S為散熱表面積,K為表面散熱系數(shù).表面散熱系數(shù)通常由試驗(yàn)確定,在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查.它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來(lái)了.    通過(guò)Φ=KSτ,我們可以在計(jì)算出耗散功率以后,根據(jù)允許溫升τ來(lái)確定散熱表面積S,并由此而確定所要選用的散熱器.這種計(jì)算對(duì)于提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性、功率密度、性價(jià)比等都有著重要意義.在相當(dāng)多的情況下,生產(chǎn)廠家為了降低電源模塊的成本,往往采用通用型的散熱器,這些散熱器的設(shè)計(jì)并不一定非常合適.對(duì)于特定的要求高可靠性的通信用高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專門(mén)的散熱器就顯得很重要.例如新西蘭的一種用于通信電源系統(tǒng)的整流模塊IntergyR2948(48V/60A)單模塊輸出功率2900W,它所采用的風(fēng)冷散熱為前進(jìn)風(fēng),斜上出風(fēng)方式,其散熱器為專門(mén)設(shè)計(jì).它最突出的特點(diǎn)是散熱器上的散熱片均呈一定的斜角,可將流過(guò)的空氣導(dǎo)向斜上方,這種流向符合熱空氣由下往上流動(dòng)的物理特性,這樣在相同散熱功率下,可以降低對(duì)空氣流速的要求.同時(shí),散熱片為鑄鋁磨砂外型,表面粗糙度大,這種外形在底流速的空氣中,更容易使層流轉(zhuǎn)變成紊流,進(jìn)而提高換熱系數(shù).綜合這兩種特性,可以大大提高散熱器的散熱效率,從而在相同功率輸出和其它外界條件下,降低了對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求,如果再采取風(fēng)扇隨功率輸出大小的無(wú)級(jí)調(diào)速,便可提高風(fēng)扇的壽命.而對(duì)整流模塊來(lái)說(shuō),風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的,一直都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸,所以采取各種措施提高散熱效率來(lái)延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命就具有非常積極的意義.原華為電氣公司,現(xiàn)在的艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的部分產(chǎn)品也有類似設(shè)計(jì),說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方法正被越來(lái)越多的電源廠家采用.由于這種散熱器需要定做,根據(jù)用戶要求加工模具,故成本高一些,但對(duì)提高電源的可靠性還是相當(dāng)有益的.4結(jié)語(yǔ)    綜上所述,在高頻開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)方面,需要考慮發(fā)熱和散熱兩方面的情況,優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各類技術(shù),同時(shí)提高整機(jī)尤其是散熱器的散熱效率.這種設(shè)計(jì)思想從部分廠家的電源模塊上得到了驗(yàn)證,為從事電源設(shè)計(jì)的人員提供了一點(diǎn)可以借鑒的設(shè)計(jì)方法.參考文獻(xiàn)[1][美].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.[2]徐國(guó)策.高壓斷路器原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.[3]蘇開(kāi)才,毛宗源.現(xiàn)代功率電子技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.陳義龍(金鵬集團(tuán)有限公司,廣東廣州510665)
大哥!小弟是做PC POWER的
最近一直在搞溫度管控相關(guān)的東西.
請(qǐng)問(wèn)一下,你那里有沒(méi)有一些關(guān)于各元器件溫升的限值.
比如說(shuō)電感的最高電壓是不允許超過(guò)95℃
電容的溫度不允許超過(guò)85℃等
可否提供一些,不勝感激啊!
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2007-04-09 16:14
@碧海銀沙
**此帖已被管理員刪除**
頂!!
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2007-04-09 18:13
是不錯(cuò)的東西
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2008-03-21 20:06
@碧海銀沙
科技大學(xué)(熱設(shè)計(jì)培訓(xùn)講義)(3)1159847198.part3.rar
我頂
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2008-03-21 20:07
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/63/1579621206101266.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
支持
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LV.1
23
2008-03-21 20:56
@碧海銀沙
**此帖已被管理員刪除**
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alexandler
LV.3
24
2008-04-17 10:58
@zhangjunfuabc
[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/63/1579621206101266.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">支持
散熱專業(yè)性挺強(qiáng)的,因?yàn)槭橇硪粋€(gè)專業(yè)的東西.

如果想深入了解的話怕是要花不少時(shí)間學(xué)習(xí).
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ahmanzjp
LV.3
25
2011-07-21 18:59

謝謝分享

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