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賺翻了!開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)方法分享錦集

發(fā)布時(shí)間:2014-10-20 責(zé)任編輯:mikeliu

【導(dǎo)讀】散熱不管在什么設(shè)計(jì)上都是不可避免的。開關(guān)電源設(shè)計(jì)也是一樣,如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì)影響開關(guān)電源的正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開關(guān)電源,本文就針對提高開關(guān)電源工作的可靠性,分享幾種在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中熱設(shè)計(jì)的方法。
 
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。但它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì)影響開關(guān)電源的正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開關(guān)電源,本文就針對提高開關(guān)電源工作的可靠性,分享幾種在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中熱設(shè)計(jì)的方法。
 
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(gè)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(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)中。
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(shí)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。
 
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(jià)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圖1所示。
 
半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式所示:
 
pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a (w) -----------------------(1)
pcmax(tc)= (tjmax-tc)/θj-c (w) -----------------------(2)
 
pc: 功率管工作時(shí)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?yàn)?theta;b比θs +θc+θf大很多,故可近似為
 
θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)
 
(1)pn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(huì)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(shí)就會(huì)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。
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(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
(3)絕緣墊熱阻抗θs
(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(huì)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面積、設(shè)計(jì)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(jì)值如圖3所示:
散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)
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(huì)影響到空氣的對流,熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì)降低散熱效果。自然風(fēng)冷時(shí)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。如圖4所示:
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(5)散熱器表面積計(jì)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?zèng)Q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(dòng)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
 [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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)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。
 
在開關(guān)電源的實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(jì)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:
散熱片的熱阻
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(gè)功率器件固定在同一個(gè)大散熱器上,這時(shí)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(shí)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對溫度敏感的元器件,如電解電容等。
 
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