隨著往常開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的疾速開展，其產(chǎn)品也逐步向小型化、高頻化、高功率密度方向邁進(jìn)。這些開展趨向都對(duì)開關(guān)電源的散熱性能產(chǎn)生了更為苛刻的請(qǐng)求。高頻、高功率密度化必然招致電子元器件過熱，特別是開關(guān)電源中的功率器件會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。若熱量不及時(shí)掃除，將惹起電子電路板的熱流密渡過高，影響電路的牢靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超越極限值時(shí)，將招致元器件失效。國(guó)外統(tǒng)計(jì)材料標(biāo)明，電子元器件的溫度每升高2℃，牢靠性降落10%，溫升為50℃時(shí)，壽命只要25℃時(shí)的1/6。往常，開關(guān)電源的電路牢靠性熱設(shè)計(jì)和熱評(píng)價(jià)工作在設(shè)計(jì)過程中尚屬單薄環(huán)節(jié)，大局部設(shè)計(jì)人員仍停留在依托整機(jī)環(huán)境實(shí)驗(yàn)過關(guān)的情況。固然對(duì)電路停止了一定的熱設(shè)計(jì)，并施行了一定的熱控制措施，但未對(duì)其熱設(shè)計(jì)的效果停止有效的評(píng)價(jià)，致使電源內(nèi)部個(gè)別過熱部件躲藏的毛病隱患未能發(fā)現(xiàn)和掃除，直接影響到整個(gè)電源的質(zhì)量和牢靠性。因而，在電路設(shè)計(jì)初期設(shè)計(jì)師就需求對(duì)熱設(shè)計(jì)停止深化的剖析和研討，才能更好地處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)中面臨的問題。
開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)
1開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念和目的
所謂的熱設(shè)計(jì)就是應(yīng)用熱傳送特性，經(jīng)過附加的冷卻措施，控制電子設(shè)備內(nèi)部一切元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超越降額后規(guī)則的最高允許工作溫度的設(shè)計(jì)技術(shù)。
施行熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要到達(dá)兩個(gè)目的。首先，確保任何元器件不超越降額后的最大工作結(jié)溫T，max﹔其次，在給定的有限空間和重量下，盡可能堅(jiān)持元器件的散熱性能。元器件廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，給出了元器件的最大工作結(jié)溫。若毀壞了第一個(gè)原則，元器件將在幾分鐘內(nèi)失效，若毀壞了后者，就會(huì)影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期壽命。
2開關(guān)電源電路熱設(shè)計(jì)
在不影響產(chǎn)品本體性能的條件下，針對(duì)開關(guān)電源電路的詳細(xì)請(qǐng)求，并分離元器件的熱剖析，選擇適宜的冷卻方式，是停止開關(guān)電源電路熱設(shè)計(jì)的主要工作。熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)繩:一是減少發(fā)熱量，即選用最優(yōu)的控制辦法和技術(shù)，如移相全橋技術(shù)，同步整流技術(shù)等;另外，選擇運(yùn)用低功耗器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，進(jìn)步電源效率;二是采用電源內(nèi)部的熱交流機(jī)制，采用傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式，如散熱器、風(fēng)冷(自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷(水和油)熱管等，將電源內(nèi)部多余的熱量轉(zhuǎn)移。
熱系統(tǒng)剖析實(shí)踐上是歐姆定律的變形，有直接與電氣范疇的元器件相對(duì)應(yīng)的等效元件。電路中的每個(gè)元器件和節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)踐設(shè)計(jì)構(gòu)造中的一個(gè)物理構(gòu)造體或外表，電源則對(duì)應(yīng)電路中的一個(gè)發(fā)熱元器件，它產(chǎn)生可計(jì)算或丈量的功率。損耗就是發(fā)熱，開關(guān)電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可疏忽的要素。它不只會(huì)影響到元器件的牢靠性，而且對(duì)開關(guān)電源的輸出也產(chǎn)生影響。
功率器件的損耗主要包括開關(guān)損耗Pru、導(dǎo)通損耗Pc和門極驅(qū)動(dòng)損耗Pg。表征功率器件熱才能的參數(shù)主要有結(jié)溫Tj和熱阻Ro。當(dāng)結(jié)溫高于四周環(huán)境溫度Ta時(shí)，Tj隨著溫差(Tj一Ta)的增大而增大，為了保證器件可以長(zhǎng)期正常工作，必需規(guī)則最大結(jié)溫Timax。Timax的大小是依據(jù)器件的封裝資料、芯片資料和牢靠性的請(qǐng)求肯定的。功率器件的散熱才能主要經(jīng)過熱阻來表征。熱阻越大，散熱才能越差。熱阻主要分為內(nèi)熱阻和外熱阻兩個(gè)局部:前者是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼資料的導(dǎo)熱率、厚度和器件的加工工藝有關(guān);后者則與管殼的封裝方式有關(guān)。通常管殼的外表積越大，熱阻越小。功率器件的熱設(shè)計(jì)主要分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)，封裝的熱設(shè)計(jì)，管殼的熱設(shè)計(jì)，以及功率器件適用熱設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)工程師的主要工作是針對(duì)功率器件的適用熱設(shè)計(jì)，其目的是經(jīng)過計(jì)算功率器件的損耗，選擇適宜的散熱器和合理的電路規(guī)劃;經(jīng)過散熱器的有效散熱，保證器件的結(jié)溫在平安的結(jié)溫之內(nèi)，且能長(zhǎng)期正常牢靠地工作。
變壓器的損耗包括:死心的損耗(鐵損)和線圈的損耗(銅損)。變壓器的鐵損和銅損分別構(gòu)成它的兩個(gè)熱源。由于熱輻射的緣由，磁芯產(chǎn)生熱量的大局部直接分發(fā)到四周空氣中，而小局部熱量則先傳送給線圈，然后再由線圈分發(fā)到空氣中。同樣，線圈產(chǎn)生的熱量也有類似的傳熱方式，即局部直接散熱到空氣，另一局部則先傳送給磁芯，再分發(fā)到空氣。隨著開關(guān)電源工作頻率的不時(shí)進(jìn)步，損耗(包括死心損耗和銅損)也在急劇增大。為了進(jìn)步變壓器的功率密度和熱性能，以避免熱失效，除了需求研討其損耗減小技術(shù)(包括開發(fā)具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體資料和線圈設(shè)計(jì)技術(shù))、封裝技術(shù)以及散熱技術(shù)外，還需積極研討包括熱模型以及溫度設(shè)計(jì)原則等熱設(shè)計(jì)技術(shù)。電源設(shè)計(jì)師應(yīng)該針對(duì)變壓器的線圈設(shè)計(jì)技術(shù).散熱技術(shù)、創(chuàng)立熱模型，以及應(yīng)用熱仿真軟件等，停止深化的研討。
開關(guān)電源電路的熱設(shè)計(jì)流程
1)剖析電源電路的規(guī)劃構(gòu)造，肯定主要發(fā)熱單元;依據(jù)電路理論中的相關(guān)公式，求得各發(fā)熱單元的理論損耗值。
2)剖析電源電路對(duì)應(yīng)的熱路，肯定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。依據(jù)熱設(shè)計(jì)理論，計(jì)算各個(gè)元器件的熱阻值;依據(jù)熱路圖樹立熱均衡方程式，剖析溫度場(chǎng)散布特性，解出各節(jié)點(diǎn)的溫度值;依據(jù)熱路模型與電氣模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確立電氣模型。
3)樹立該電路的3D熱模型。應(yīng)用專業(yè)熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等)，依據(jù)流膂力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)原理，采用有限元體積法，對(duì)樹立的模型停止數(shù)值計(jì)算﹔依據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出最佳計(jì)劃。
4）模型或樣機(jī)實(shí)驗(yàn)剖析。經(jīng)過對(duì)模型或樣機(jī)測(cè)試丈量，檢驗(yàn)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏向水平。
5)除了熱設(shè)計(jì)，還應(yīng)思索牢靠性、平安性、維修性及電磁兼容性的協(xié)同設(shè)計(jì)。
開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)模型的相關(guān)參數(shù)
下面以功率開關(guān)管為例，引見熱設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，如圖1所示。結(jié)點(diǎn)處的溫度最高，熱量將依據(jù)熱均衡原理，從圖1的左邊活動(dòng)到右邊，最后抵達(dá)通風(fēng)的自然環(huán)境。運(yùn)用熱導(dǎo)體，將熱量傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的熱交流器。傳導(dǎo)率Q經(jīng)過傅里葉定律肯定:
式中，Q為熱流(J/s(W));Td是熱導(dǎo)體兩端的溫差(℃);A是截面積;L為導(dǎo)體長(zhǎng)度;R。是熱阻。
上述定律只能用于普通的固熱導(dǎo)體。假如采用散熱管散熱，它的散熱機(jī)理屬于內(nèi)部冷卻劑的氣化埋伏熱，內(nèi)部熱阻是非線性的，上面等式就失效了。
各接觸面的溫度(即熱源)可依據(jù)熱轉(zhuǎn)移途徑上的熱流和熱阻樹立熱均衡方程求得。其表達(dá)式為:
由(4)式可知，熱交流器的溫度能夠經(jīng)過測(cè)溫設(shè)備(簡(jiǎn)易的如熱電偶)丈量得到，并且已知熱阻大小(可經(jīng)過廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)取得)，即可計(jì)算出熱流和結(jié)點(diǎn)處的損耗。
實(shí)例剖析
下面以一個(gè)實(shí)踐的開關(guān)電源為例，引見如何應(yīng)用Ansoft軟件停止熱仿真。該開關(guān)電源電路的電氣參數(shù)列于表1。
仿真的主要參數(shù)
1)環(huán)境參數(shù):電路外部環(huán)境溫度為22℃，空氣之間的對(duì)流系數(shù)為10W/m2·K，指數(shù)(FEXP)為0.1，輻射系數(shù)(radioemissivity)為0.05，輻射參考溫度為22℃。系統(tǒng)求解域定義為電路外殼體積的2倍。
2主要尺寸參數(shù):電路外殼尺寸為200mm×70mm×30mm。
3)功耗參數(shù):本例電源系統(tǒng)的主要發(fā)熱元件共有16個(gè)，電路中主要發(fā)熱器件各接觸面的損耗可由(4)式求得，其中變壓器的損耗可分別由文獻(xiàn)[3]中的銅損及鐵損的計(jì)算公式分別求得。本例中將計(jì)算得到的各個(gè)主要發(fā)熱元器件的功率損耗值，依照參數(shù)類型歸類整理，如表2所示。
資料參數(shù):該電路中觸及的資料包括鋁合金、銅、塑料和電路基板資料-FR4。表3為元器件資料的主要參數(shù)。
仿真結(jié)果
依據(jù)主要發(fā)熱元器件的損耗計(jì)算公式，得到各損耗值，將其導(dǎo)入仿真軟件;應(yīng)用Ansoft仿真軟件的內(nèi)部求解器取得實(shí)踐電路的3D發(fā)熱模型，如圖2所示。從圖中能夠明晰地看到電路內(nèi)部及各個(gè)元器件上的熱量散布狀況。依據(jù)仿真結(jié)果(圖2)可知，功率MOSFET上的熱量和變壓器的熱量最高(紅色局部)，這與從電路理論上剖析求得的這兩種器件的功耗(見表2)相吻合。
熱設(shè)計(jì)是進(jìn)步電源產(chǎn)品的質(zhì)量和牢靠性的重要手腕，正日益遭到電源業(yè)界的注重。本文從引見電路內(nèi)部主要發(fā)熱部件的發(fā)熱機(jī)理動(dòng)手，簡(jiǎn)單引見了熱設(shè)計(jì)的普通設(shè)計(jì)流程;分離實(shí)踐例子，應(yīng)用仿真軟件，模仿了電路內(nèi)部的溫度場(chǎng)散布特性。該仿真結(jié)果為電路的初期熱設(shè)計(jì)或者后期散熱性能的進(jìn)一步改良提供了根據(jù)，可為熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)程，進(jìn)步工作效率。
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