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      開關電源的散熱設計
      時間:2022-05-31 08:27:00 點擊次數:41

      隨著往常開關電源產業的疾速開展,其產品也逐步向小型化、高頻化、高功率密度方向邁進。這些開展趨向都對開關電源的散熱性能產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熱,特別是開關電源中的功率器件會產生更多的熱量。若熱量不及時掃除,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。電源電路內部的溫升超越極限值時,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,壽命只要25℃時的1/6。往常,開關電源的電路牢靠性熱設計和熱評價工作在設計過程中尚屬單薄環節,大局部設計人員仍停留在依托整機環境實驗過關的情況。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,致使電源內部個別過熱部件躲藏的毛病隱患未能發現和掃除,直接影響到整個電源的質量和牢靠性。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,才能更好地處理產品設計中面臨的問題。

      開關電源熱設計

      1開關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,經過附加的冷卻措施,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。

      施行熱系統設計主要到達兩個目的。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。若毀壞了第一個原則,元器件將在幾分鐘內失效,若毀壞了后者,就會影響系統的長期壽命。

      2開關電源電路熱設計

      在不影響產品本體性能的條件下,針對開關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,是停止開關電源電路熱設計的主要工作。熱設計的準繩:一是減少發熱量,即選用最優的控制辦法和技術,如移相全橋技術,同步整流技術等;另外,選擇運用低功耗器件,減少發熱器件的數目,加大加粗印制線的寬度,進步電源效率;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、風冷(自然對流和強迫風冷)、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。電路中的每個元器件和節點對應實踐設計構造中的一個物理構造體或外表,電源則對應電路中的一個發熱元器件,它產生可計算或丈量的功率。損耗就是發熱,開關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。它不只會影響到元器件的牢靠性,而且對開關電源的輸出也產生影響。

      功率器件的損耗主要包括開關損耗Pru、導通損耗Pc和門極驅動損耗Pg。表征功率器件熱才能的參數主要有結溫Tj和熱阻Ro。當結溫高于四周環境溫度Ta時,Tj隨著溫差(Tj一Ta)的增大而增大,為了保證器件可以長期正常工作,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過熱阻來表征。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;后者則與管殼的封裝方式有關。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,其目的是經過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;經過散熱器的有效散熱,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成它的兩個熱源。由于熱輻射的緣由,磁芯產生熱量的大局部直接分發到四周空氣中,而小局部熱量則先傳送給線圈,然后再由線圈分發到空氣中。同樣,線圈產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,再分發到空氣。隨著開關電源工作頻率的不時進步,損耗(包括死心損耗和銅損)也在急劇增大。為了進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(包括開發具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體資料和線圈設計技術)、封裝技術以及散熱技術外,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。電源設計師應該針對變壓器的線圈設計技術.散熱技術、創立熱模型,以及應用熱仿真軟件等,停止深化的研討。

       

      開關電源電路的熱設計流程

      1)剖析電源電路的規劃構造,肯定主要發熱單元;依據電路理論中的相關公式,求得各發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,計算各個元器件的熱阻值;依據熱路圖樹立熱均衡方程式,剖析溫度場散布特性,解出各節點的溫度值;依據熱路模型與電氣模型的對應關系,確立電氣模型。

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

      4)模型或樣機實驗剖析。經過對模型或樣機測試丈量,檢驗理論計算與實驗結果的偏向水平。

      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同設計。

      開關電源熱設計模型的相關參數

      下面以功率開關管為例,引見熱設計的相關參數,如圖1所示。結點處的溫度最高,熱量將依據熱均衡原理,從圖1的左邊活動到右邊,最后抵達通風的自然環境。運用熱導體,將熱量傳導到較遠的熱交流器。傳導率Q經過傅里葉定律肯定:

       

      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過測溫設備(簡易的如熱電偶)丈量得到,并且已知熱阻大小(可經過廠商的數據手冊取得),即可計算出熱流和結點處的損耗。

      實例剖析

      下面以一個實踐的開關電源為例,引見如何應用Ansoft軟件停止熱仿真。該開關電源電路的電氣參數列于表1。

       

      仿真的主要參數

      1)環境參數:電路外部環境溫度為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熱元件共有16個,電路中主要發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主要發熱元器件的功率損耗值,依照參數類型歸類整理,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踐電路的3D發熱模型,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(見表2)相吻合。

       

      熱設計是進步電源產品的質量和牢靠性的重要手腕,正日益遭到電源業界的注重。本文從引見電路內部主要發熱部件的發熱機理動手,簡單引見了熱設計的普通設計流程;分離實踐例子,應用仿真軟件,模仿了電路內部的溫度場散布特性。該仿真結果為電路的初期熱設計或者后期散熱性能的進一步改良提供了根據,可為熱設計提供指導,推進設計進程,進步工作效率。

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