鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2020年05月19日
工程師技術(shù)知識(shí)分享：開關(guān)電源的幾種熱設(shè)計(jì)方法
引言
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(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(chǎng)效應(yīng)管等器件。它們工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的熱量，假如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。為提高開關(guān)電源工作的可靠性，,熱設(shè)計(jì)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。
熱設(shè)計(jì)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(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(duì)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(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)棣萣比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(huì)對(duì)它出現(xiàn)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。
當(dāng)前有一種新型的相變材料，專門設(shè)計(jì)用采取代硅油作為傳熱介面，在65℃(相變溫度)時(shí)從固體變?yōu)榱黧w，從而確保界面的完全潤(rùn)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(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)。用于不要電氣絕緣的場(chǎng)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(chǎng)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
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
2散熱設(shè)計(jì)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(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。
自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷
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(duì)流。
強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)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：
金屬pCB
發(fā)熱元件的布局
開關(guān)電源中重要發(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(duì)溫度敏感的元器件，如電解電容等。
結(jié)語(yǔ)
開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品所處的工作環(huán)境及實(shí)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(jì)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。
