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    開(kāi)關(guān)電源的散熱設計
    時(shí)間:2022-05-31 08:27:00 點(diǎn)擊次數:7206

    隨著(zhù)往常開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的疾速開(kāi)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(kāi)展趨向都對開(kāi)關(guān)電源的散熱性能產(chǎn)生了更為苛刻的請求。高頻、高功率密度化必然招致電子元器件過(guò)熱,特別是開(kāi)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(guò)高,影響電路的牢靠性和壽命。電源電路內部的溫升超越極限值時(shí),將招致元器件失效。國外統計材料標明,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(kāi)關(guān)電源的電路牢靠性熱設計和熱評價(jià)工作在設計過(guò)程中尚屬單薄環(huán)節,大局部設計人員仍停留在依托整機環(huán)境實(shí)驗過(guò)關(guān)的情況。固然對電路停止了一定的熱設計,并施行了一定的熱控制措施,但未對其熱設計的效果停止有效的評價(jià),致使電源內部個(gè)別過(guò)熱部件躲藏的毛病隱患未能發(fā)現和掃除,直接影響到整個(gè)電源的質(zhì)量和牢靠性。因而,在電路設計初期設計師就需求對熱設計停止深化的剖析和研討,才能更好地處理產(chǎn)品設計中面臨的問(wèn)題。

    開(kāi)關(guān)電源熱設計

    1開(kāi)關(guān)電源熱設計的基礎概念和目的

    所謂的熱設計就是應用熱傳送特性,經(jīng)過(guò)附加的冷卻措施,控制電子設備內部一切元器件的溫度,使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超越降額后規則的最高允許工作溫度的設計技術(shù)。

    施行熱系統設計主要到達兩個(gè)目的。首先,確保任何元器件不超越降額后的最大工作結溫T,max﹔其次,在給定的有限空間和重量下,盡可能堅持元器件的散熱性能。元器件廠(chǎng)商提供的數據手冊中,給出了元器件的最大工作結溫。若毀壞了第一個(gè)原則,元器件將在幾分鐘內失效,若毀壞了后者,就會(huì )影響系統的長(cháng)期壽命。

    2開(kāi)關(guān)電源電路熱設計

    在不影響產(chǎn)品本體性能的條件下,針對開(kāi)關(guān)電源電路的詳細請求,并分離元器件的熱剖析,選擇適宜的冷卻方式,是停止開(kāi)關(guān)電源電路熱設計的主要工作。熱設計的準繩: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,選擇運用低功耗器件,減少發(fā)熱器件的數目,加大加粗印制線(xiàn)的寬度,進(jìn)步電源效率;二是采用電源內部的熱交流機制,采用傳導、對流和輻射三種方式,如散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強迫風(fēng)冷)、液冷(水和油)熱管等,將電源內部多余的熱量轉移。

    熱系統剖析實(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應的等效元件。電路中的每個(gè)元器件和節點(diǎn)對應實(shí)踐設計構造中的一個(gè)物理構造體或外表,電源則對應電路中的一個(gè)發(fā)熱元器件,它產(chǎn)生可計算或丈量的功率。損耗就是發(fā)熱,開(kāi)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,而且對開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗Pru、導通損耗Pc和門(mén)極驅動(dòng)損耗Pg。表征功率器件熱才能的參數主要有結溫Tj和熱阻Ro。當結溫高于四周環(huán)境溫度Ta時(shí),Tj隨著(zhù)溫差(Tj一Ta)的增大而增大,為了保證器件可以長(cháng)期正常工作,必需規則最大結溫Timax。Timax的大小是依據器件的封裝資料、芯片資料和牢靠性的請求肯定的。功率器件的散熱才能主要經(jīng)過(guò)熱阻來(lái)表征。熱阻越大,散熱才能越差。熱阻主要分為內熱阻和外熱阻兩個(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。功率器件的熱設計主要分為器件內部芯片的熱設計,封裝的熱設計,管殼的熱設計,以及功率器件適用熱設計。電源設計工程師的主要工作是針對功率器件的適用熱設計,其目的是經(jīng)過(guò)計算功率器件的損耗,選擇適宜的散熱器和合理的電路規劃;經(jīng)過(guò)散熱器的有效散熱,保證器件的結溫在平安的結溫之內,且能長(cháng)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(xiàn)圈的損耗(銅損)。變壓器的鐵損和銅損分別構成它的兩個(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(xiàn)圈,然后再由線(xiàn)圈分發(fā)到空氣中。同樣,線(xiàn)圈產(chǎn)生的熱量也有類(lèi)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(zhù)開(kāi)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(kāi)發(fā)具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體資料和線(xiàn)圈設計技術(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計原則等熱設計技術(shù)。電源設計師應該針對變壓器的線(xiàn)圈設計技術(shù).散熱技術(shù)、創(chuàng )立熱模型,以及應用熱仿真軟件等,停止深化的研討。

     

    開(kāi)關(guān)電源電路的熱設計流程

    1)剖析電源電路的規劃構造,肯定主要發(fā)熱單元;依據電路理論中的相關(guān)公式,求得各發(fā)熱單元的理論損耗值。

    2)剖析電源電路對應的熱路,肯定傳熱途徑,繪出等效的熱模型。依據熱設計理論,計算各個(gè)元器件的熱阻值;依據熱路圖樹(shù)立熱均衡方程式,剖析溫度場(chǎng)散布特性,解出各節點(diǎn)的溫度值;依據熱路模型與電氣模型的對應關(guān)系,確立電氣模型。

    3)樹(shù)立該電路的3D熱模型。應用專(zhuān)業(yè)熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等),依據流膂力學(xué)和數值傳熱學(xué)原理,采用有限元體積法,對樹(shù)立的模型停止數值計算﹔依據計算結果,得出最佳計劃。

    4)模型或樣機實(shí)驗剖析。經(jīng)過(guò)對模型或樣機測試丈量,檢驗理論計算與實(shí)驗結果的偏向水平。

    5)除了熱設計,還應思索牢靠性、平安性、維修性及電磁兼容性的協(xié)同設計。

    開(kāi)關(guān)電源熱設計模型的相關(guān)參數

    下面以功率開(kāi)關(guān)管為例,引見(jiàn)熱設計的相關(guān)參數,如圖1所示。結點(diǎn)處的溫度最高,熱量將依據熱均衡原理,從圖1的左邊活動(dòng)到右邊,最后抵達通風(fēng)的自然環(huán)境。運用熱導體,將熱量傳導到較遠的熱交流器。傳導率Q經(jīng)過(guò)傅里葉定律肯定:

     

    式中,Q為熱流(J/s(W));Td是熱導體兩端的溫差(℃);A是截面積;L為導體長(cháng)度;R。是熱阻。

     

    上述定律只能用于普通的固熱導體。假如采用散熱管散熱,它的散熱機理屬于內部冷卻劑的氣化埋伏熱,內部熱阻是非線(xiàn)性的,上面等式就失效了。

    各接觸面的溫度(即熱源)可依據熱轉移途徑上的熱流和熱阻樹(shù)立熱均衡方程求得。其表達式為:

     

    由(4)式可知,熱交流器的溫度能夠經(jīng)過(guò)測溫設備(簡(jiǎn)易的如熱電偶)丈量得到,并且已知熱阻大小(可經(jīng)過(guò)廠(chǎng)商的數據手冊取得),即可計算出熱流和結點(diǎn)處的損耗。

    實(shí)例剖析

    下面以一個(gè)實(shí)踐的開(kāi)關(guān)電源為例,引見(jiàn)如何應用Ansoft軟件停止熱仿真。該開(kāi)關(guān)電源電路的電氣參數列于表1。

     

    仿真的主要參數

    1)環(huán)境參數:電路外部環(huán)境溫度為22℃,空氣之間的對流系數為10W/m2·K,指數(FEXP)為0.1,輻射系數(radioemissivity)為0.05,輻射參考溫度為22℃。系統求解域定義為電路外殼體積的2倍。

    2主要尺寸參數:電路外殼尺寸為200mm×70mm×30mm。

    3)功耗參數:本例電源系統的主要發(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[3]中的銅損及鐵損的計算公式分別求得。本例中將計算得到的各個(gè)主要發(fā)熱元器件的功率損耗值,依照參數類(lèi)型歸類(lèi)整理,如表2所示。

     

    資料參數: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。

     

    仿真結果

    依據主要發(fā)熱元器件的損耗計算公式,得到各損耗值,將其導入仿真軟件;應用Ansoft仿真軟件的內部求解器取得實(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部及各個(gè)元器件上的熱量散布狀況。依據仿真結果(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(jiàn)表2)相吻合。

     

    熱設計是進(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(jiàn)電路內部主要發(fā)熱部件的發(fā)熱機理動(dòng)手,簡(jiǎn)單引見(jiàn)了熱設計的普通設計流程;分離實(shí)踐例子,應用仿真軟件,模仿了電路內部的溫度場(chǎng)散布特性。該仿真結果為電路的初期熱設計或者后期散熱性能的進(jìn)一步改良提供了根據,可為熱設計提供指導,推進(jìn)設計進(jìn)程,進(jìn)步工作效率。

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