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开关电源的散热设计概念
时间:2022-05-31 08:31:53 点击次数:198

随着往常开关电源产业的疾速开展,其产品也逐步向小型化、高频化、高功率密度方向迈进。这些开展趋向都对开关电源的散热性能产生了更为苛刻的请求。高频、高功率密度化必然招致电子元器件过热,特别是开关电源中的功率器件会产生更多的热量。若热量不及时扫除,将惹起电子电路板的热流密渡过高,影响电路的牢靠性和寿命。电源电路内部的温升超越极限值时,将招致元器件失效。国外统计材料标明,电子元器件的温度每升高2℃,牢靠性降落10%,温升为50℃时,寿命只要25℃时的1/6。往常,开关电源的电路牢靠性热设计和热评价工作在设计过程中尚属单薄环节,大局部设计人员仍停留在依托整机环境实验过关的情况。固然对电路停止了一定的热设计,并施行了一定的热控制措施,但未对其热设计的效果停止有效的评价,致使电源内部个别过热部件躲藏的毛病隐患未能发现和扫除,直接影响到整个电源的质量和牢靠性。因而,在电路设计初期设计师就需求对热设计停止深化的剖析和研讨,才能更好地处理产品设计中面临的问题。

开关电源热设计

1开关电源热设计的基础概念和目的

所谓的热设计就是应用热传送特性,经过附加的冷却措施,控制电子设备内部一切元器件的温度,使其在设备所处的工作环境条件下不超越降额后规则的最高允许工作温度的设计技术。

施行热系统设计主要到达两个目的。首先,确保任何元器件不超越降额后的最大工作结温T,max﹔其次,在给定的有限空间和重量下,尽可能坚持元器件的散热性能。元器件厂商提供的数据手册中,给出了元器件的最大工作结温。若毁坏了第一个原则,元器件将在几分钟内失效,若毁坏了后者,就会影响系统的长期寿命。

2开关电源电路热设计

在不影响产品本体性能的条件下,针对开关电源电路的详细请求,并分离元器件的热剖析,选择适宜的冷却方式,是停止开关电源电路热设计的主要工作。热设计的准绳:一是减少发热量,即选用最优的控制办法和技术,如移相全桥技术,同步整流技术等;另外,选择运用低功耗器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源效率;二是采用电源内部的热交流机制,采用传导、对流和辐射三种方式,如散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水和油)热管等,将电源内部多余的热量转移。

热系统剖析实践上是欧姆定律的变形,有直接与电气范畴的元器件相对应的等效元件。电路中的每个元器件和节点对应实践设计构造中的一个物理构造体或外表,电源则对应电路中的一个发热元器件,它产生可计算或丈量的功率。损耗就是发热,开关电源电路中功率器件的损耗和变压器的损耗是不可疏忽的要素。它不只会影响到元器件的牢靠性,而且对开关电源的输出也产生影响。

功率器件的损耗主要包括开关损耗Pru、导通损耗Pc和门极驱动损耗Pg。表征功率器件热才能的参数主要有结温Tj和热阻Ro。当结温高于四周环境温度Ta时,Tj随着温差(Tj一Ta)的增大而增大,为了保证器件可以长期正常工作,必需规则最大结温Timax。Timax的大小是依据器件的封装资料、芯片资料和牢靠性的请求肯定的。功率器件的散热才能主要经过热阻来表征。热阻越大,散热才能越差。热阻主要分为内热阻和外热阻两个局部:前者是器件自身固有的热阻,与管芯、外壳资料的导热率、厚度和器件的加工工艺有关;后者则与管壳的封装方式有关。通常管壳的外表积越大,热阻越小。功率器件的热设计主要分为器件内部芯片的热设计,封装的热设计,管壳的热设计,以及功率器件适用热设计。电源设计工程师的主要工作是针对功率器件的适用热设计,其目的是经过计算功率器件的损耗,选择适宜的散热器和合理的电路规划;经过散热器的有效散热,保证器件的结温在平安的结温之内,且能长期正常牢靠地工作。

变压器的损耗包括:死心的损耗(铁损)和线圈的损耗(铜损)。变压器的铁损和铜损分别构成它的两个热源。由于热辐射的缘由,磁芯产生热量的大局部直接分发到四周空气中,而小局部热量则先传送给线圈,然后再由线圈分发到空气中。同样,线圈产生的热量也有类似的传热方式,即局部直接散热到空气,另一局部则先传送给磁芯,再分发到空气。随着开关电源工作频率的不时提高,损耗(包括死心损耗和铜损)也在急剧增大。为了提高变压器的功率密度和热性能,以避免热失效,除了需求研讨其损耗减小技术(包括开发具有良好高频损耗特性的新型功率铁氧体资料和线圈设计技术)、封装技术以及散热技术外,还需积极研讨包括热模型以及温度设计原则等热设计技术。电源设计师应该针对变压器的线圈设计技术.散热技术、创立热模型,以及应用热仿真软件等,停止深化的研讨。


开关电源电路的热设计流程

1)剖析电源电路的规划构造,肯定主要发热单元;依据电路理论中的相关公式,求得各发热单元的理论损耗值。

2)剖析电源电路对应的热路,肯定传热途径,绘出等效的热模型。依据热设计理论,计算各个元器件的热阻值;依据热路图树立热均衡方程式,剖析温度场散布特性,解出各节点的温度值;依据热路模型与电气模型的对应关系,确立电气模型。

3)树立该电路的3D热模型。应用专业热仿真软件(如Flotherm、ANSYS等),依据流膂力学和数值传热学原理,采用有限元体积法,对树立的模型停止数值计算﹔依据计算结果,得出最佳计划。

4)模型或样机实验剖析。经过对模型或样机测试丈量,检验理论计算与实验结果的偏向水平。

5)除了热设计,还应思索牢靠性、平安性、维修性及电磁兼容性的协同设计。

开关电源热设计模型的相关参数

下面以功率开关管为例,引见热设计的相关参数,如图1所示。结点处的温度最高,热量将依据热均衡原理,从图1的左边活动到右边,最后抵达通风的自然环境。运用热导体,将热量传导到较远的热交流器。传导率Q经过傅里叶定律肯定:

式中,Q为热流(J/s(W));Td是热导体两端的温差(℃);A是截面积;L为导体长度;R。是热阻。

上述定律只能用于普通的固热导体。假如采用散热管散热,它的散热机理属于内部冷却剂的气化埋伏热,内部热阻是非线性的,上面等式就失效了。

各接触面的温度(即热源)可依据热转移途径上的热流和热阻树立热均衡方程求得。其表达式为:

由(4)式可知,热交流器的温度能够经过测温设备(简易的如热电偶)丈量得到,并且已知热阻大小(可经过厂商的数据手册取得),即可计算出热流和结点处的损耗。

实例剖析

下面以一个实践的开关电源为例,引见如何应用Ansoft软件停止热仿真。该开关电源电路的电气参数列于表1。

仿真的主要参数

1)环境参数:电路外部环境温度为22℃,空气之间的对流系数为10W/m2·K,指数(FEXP)为0.1,辐射系数(radioemissivity)为0.05,辐射参考温度为22℃。系统求解域定义为电路外壳体积的2倍。

2主要尺寸参数:电路外壳尺寸为200mm×70mm×30mm。

3)功耗参数:本例电源系统的主要发热元件共有16个,电路中主要发热器件各接触面的损耗可由(4)式求得,其中变压器的损耗可分别由文献[3]中的铜损及铁损的计算公式分别求得。本例中将计算得到的各个主要发热元器件的功率损耗值,依照参数类型归类整理,如表2所示。

资料参数:该电路中触及的资料包括铝合金、铜、塑料和电路基板资料-FR4。表3为元器件资料的主要参数。

仿真结果

依据主要发热元器件的损耗计算公式,得到各损耗值,将其导入仿真软件;应用Ansoft仿真软件的内部求解器取得实践电路的3D发热模型,如图2所示。从图中能够明晰地看到电路内部及各个元器件上的热量散布状况。依据仿真结果(图2)可知,功率MOSFET上的热量和变压器的热量最高(红色局部),这与从电路理论上剖析求得的这两种器件的功耗(见表2)相吻合。

热设计是提高电源产品的质量和牢靠性的重要手腕,正日益遭到电源业界的注重。本文从引见电路内部主要发热部件的发热机理动手,简单引见了热设计的普通设计流程;分离实践例子,应用仿真软件,模仿了电路内部的温度场散布特性。该仿真结果为电路的初期热设计或者后期散热性能的进一步改良提供了根据,可为热设计提供指导,推进设计进程,提高工作效率。

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