鉅大LARGE | 點擊量：953次 | 2020年05月19日
工程師技術知識分享：開關電源的幾種熱設計方法
引言
開關電源已普遍運用在當前的各類電子設備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的含義從1991年的25W/in3、1994年36W/in3、1999年52W/in3、2001年96W/in3，目前已高達數(shù)百瓦每立方英寸。由于開關電源中使用了大量的大功率半導體器件，如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場效應管等器件。它們工作時會出現(xiàn)大量的熱量，假如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電源的正常工作，嚴重時會損壞開關電源。為提高開關電源工作的可靠性，,熱設計在開關電源設計中是必不可少的重要一個環(huán)節(jié)。
熱設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行考慮：使用散熱器、冷卻風扇、金屬pCB、散熱膏等。在實際設計中要針對客戶的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。
由于散熱器是開關電源的重要部件，它的散熱效率高與低關系到開關電源的工作性能。散熱器通常采用銅或鋁，雖然銅的熱導率比鋁高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:預定的工作環(huán)境溫度
θs:絕緣墊熱阻抗
θc:接觸熱阻抗(半導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是由半導體pN結(jié)構造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關。每種半導體都有自身固有的熱阻抗。
②接觸熱阻抗θc是由半導體、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、安裝方式都會對它出現(xiàn)影響。當接觸面不平整、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熱性，可以大大降低接觸熱阻抗θc。
當前有一種新型的相變材料，專門設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，該材料的觸變特性防止其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當，但沒有硅油帶來的污垢，環(huán)境污染和難于操作等缺點。用于不要電氣絕緣的場合。典型應用包括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體封裝形式的θs+θc
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散熱設計舉例
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計圖中可以查到:使用2mm厚的鋁材至少要200cm2，因此需選用140*140*2mm以上的鋁散熱器。
注：在實際運用中，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。
自然風冷與強制風冷
在開關電源的實際設計過程中，通常采用自然風冷與風扇強制風冷二種形式。自然風冷的散熱片安裝時應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。
強制風冷是利用風扇強制空氣對流，所以在風道的設計上同樣應使散熱片的葉片軸向與風扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風效果越是散熱量大的器件越應靠近排氣風扇，在有排氣風扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：
金屬pCB
發(fā)熱元件的布局
開關電源中重要發(fā)熱元件有大功率半導體及其散熱器，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電源風道風向的上風處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風扇。
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，這時應盡量使散熱片靠近pCB的邊緣放置。但與開關電源的外殼或其它部件至少應留有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平行且與風道的風向平行。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的布局上同時應盡可能遠離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。
結(jié)語
開關電源的熱設計應充分考慮產(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用才能設計出既經(jīng)濟又能充分保證半導體散熱的開關電源產(chǎn)品。
