開關(guān)電源的熱設(shè)計方法解析
開關(guān)電源已普遍運(yùn)用在當(dāng)前的各類電子設(shè)備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高達(dá)數(shù)百瓦每立方英寸.由于開關(guān)電源中使用了大量的大功率半導(dǎo)體器件,如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場效應(yīng)管等器件。它們工作時會產(chǎn)生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時地排出并使之處于一個合理的水平將會影響開關(guān)電源的正常工作,嚴(yán)重時會損壞開關(guān)電源.為提高開關(guān)電源工作的可靠性,熱設(shè)計在開關(guān)電源設(shè)計中是必不可少的重要一個環(huán)節(jié)。
1.熱設(shè)計中常用的幾種方法
為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去,一般從以下幾個方面進(jìn)行考慮: 使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬pcb、散熱膏等.在實際設(shè)計中要針對客戶的要求及最佳費(fèi)/效比合理地將上述幾種方法綜合運(yùn)用到電源的設(shè)計中。
2.半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計
由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位,其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗.從電路拓?fù)浞绞缴蟻碇v,采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過零時開通或關(guān)斷可最大限度地減少開關(guān)損耗但也無法徹底消除開關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.
2.1 散熱器的熱阻模型
由于散熱器是開關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示
半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示：
pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a (w) -----------------------(1)
pcmax(tc)= (tjmax-tc)/θj-c (w) -----------------------(2)
pc: 功率管工作時損耗
pc(max): 功率管的額定最大損耗
tj: 功率管節(jié)溫
tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫
ta: 環(huán)境溫度
tc: 預(yù)定的工作環(huán)境溫度
θs : 絕緣墊熱阻抗
θc : 接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)
θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)
θi : 內(nèi)部熱阻抗(pn結(jié)接合部與外殼封裝)
θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)
根據(jù)圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:
θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
又因為θb比θs +θc+θf大很多,故可近似為
θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)
①pn結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗) θi是由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān).每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗.
②接觸熱阻抗θc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會對它產(chǎn)生影響。當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時就會增大接觸熱阻抗θc。在半導(dǎo)體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導(dǎo)熱性，可以大大降低接觸熱阻抗θc。
當(dāng)前有一種新型的相變材料，專門設(shè)計用采取代硅油作為傳熱介面，在65℃（相變溫度）時從固體變?yōu)榱黧w，從而確保界面的完全潤濕，該材料的觸變特性避免其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當(dāng)，但沒有硅油帶來的污垢，環(huán)境污染和難于操作等缺點(diǎn)。用于不需要電氣絕緣的場合。典型應(yīng)用包括cpu散熱片，功率轉(zhuǎn)換模塊或者其它任何簧片固定的硅油應(yīng)用場合，它可涂布在鋁質(zhì)基材的兩面，可單面附膠，雙面附膠或不附膠。
③絕緣墊熱阻抗θs
絕緣墊是用于半導(dǎo)體器件和散熱器之間的絕緣.絕緣墊的熱阻抗θs取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度、面積。下表中列出幾種常用半導(dǎo)體封裝形式的θs+θc
④散熱器熱阻抗θf
散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。因此一般都會設(shè)法增強(qiáng)散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設(shè)計合理的散熱風(fēng)道、增強(qiáng)散熱器表面的風(fēng)速。散熱器的散熱面積設(shè)計值如下圖所示：
但如果過于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過于密集則會影響到空氣的對流，熱空氣不易于流動也會降低散熱效果。自然風(fēng)冷時散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大，選擇強(qiáng)制風(fēng)冷則可適當(dāng)減小叉指間距。如上圖所示：
⑤散熱器表面積計算
s=0.86w/(δt*α) (m2)
δt: 散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度（ta）的差（℃）
α： 熱傳導(dǎo)系數(shù)，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速決定。α由下式?jīng)Q定。
α=nu*λ/l ()
λ:熱電導(dǎo)率（kcal/m2h）空氣物理性質(zhì)
l：散熱器高度（m）
nu：空氣流速系數(shù)。由下式?jīng)Q定。
nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr
v：動粘性系數(shù)（m2/sec）,空氣物理性質(zhì)。
v’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)
pr: 系數(shù),見下表
2.2 散熱設(shè)計舉例
[例] 2scs5197在電路中消耗的功率為pdc=15w,工作環(huán)境溫度ta=60℃,求在正常工作時散熱器的面積應(yīng)是多少?
解: 查2scs5197的產(chǎn)品目錄得知:pcmax=80w(tc=25℃),tjmax=150℃且該功率管使用了絕緣墊和硅油. θs+θc=0.8℃/w
從(2)式可得
θi=θj-c=(tjmax-tc)/pcmax-=(150-25)/80≒1.6℃/w
從(1)式可得
θj-a=(tjmax-ta)/pdc=(150-60)/15=6℃/w
從(4)式可得
θf=θj-a－(θi＋θc＋θs) ≒6－(1.6+0.8)=3.6℃/w
根據(jù)上述計算散熱器的熱阻抗須選用3.6℃/w以下的散熱器.從散熱器散熱面積設(shè)計圖中可以查到:使用2mm厚的鋁材至少需要200cm2,因此需選用140*140*2mm以上的鋁散熱器.
注：在實際運(yùn)用中，tjmax必須降額使用，以80%額定節(jié)溫來代替tjmax確保功率管的可靠工作。
3、自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷
在開關(guān)電源的實際設(shè)計過程中，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷二種形式。自然風(fēng)冷的散熱片安裝時應(yīng)使散熱片的葉片豎直向上放置，若有可能則可在pcb上散熱片安裝位置的周圍鉆幾個通氣孔便于空氣的對流。
強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對流，所以在風(fēng)道的設(shè)計上同樣應(yīng)使散熱片的葉片軸向與風(fēng)扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風(fēng)效果越是散熱量大的器件越應(yīng)靠近排氣風(fēng)扇，在有排氣風(fēng)扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：
4、金屬pcb
隨著開關(guān)電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運(yùn)用到實際產(chǎn)品中，這時散熱片難于安裝到功率器件上。當(dāng)前克服該問題主要采取金屬pcb作為功率器件的載體，主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬pcb的散熱性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的pcb且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯pcb，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導(dǎo)熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，它是可以雙面貼裝smd元件，大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬pcb上，利用金屬pcb中的金屬板來散熱。
5、發(fā)熱元件的布局
開關(guān)電源中主要發(fā)熱元件有大功率半導(dǎo)體及其散熱器，功率變換變壓器，大功率電阻。發(fā)熱元件的布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小，由小到大排列，發(fā)熱量越小的器件越要排在開關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇。
為了提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將多個功率器件固定在同一個大散熱器上，這時應(yīng)盡量使散熱片靠近pcb的邊緣放置。但與開關(guān)電源的外殼或其它部件至少應(yīng)留有1cm以上的距離。若在一塊電路板中有幾塊大的散熱器則它們之間應(yīng)平行且與風(fēng)道的風(fēng)向平行。在垂直方向上則發(fā)熱小的器件排在最低層而發(fā)熱大的器件排在較高處。
發(fā)熱器件在pcb的布局上同時應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。
6、結(jié)語
開關(guān)電源的熱設(shè)計應(yīng)充分考慮產(chǎn)品所處的工 作環(huán)境及實際的工作狀態(tài)并將上述幾種方法綜合運(yùn)用才能設(shè)計出既經(jīng)濟(jì)又能充分保證半導(dǎo)體散熱的開關(guān)電源產(chǎn)品。
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