隨著如今開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其產(chǎn)品也逐漸向小型化、高頻化、高功率密度方向邁進(jìn)。這些發(fā)展趨勢(shì)都對(duì)開(kāi)關(guān)電源的散熱性能產(chǎn)生了更為苛刻的要求。高頻、高功率密度化必然導(dǎo)致電子元器件過(guò)熱，尤其是開(kāi)關(guān)電源中的功率器件會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。若熱量不及時(shí)排除，將引起電子電路板的熱流密度過(guò)高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超過(guò)極限值時(shí)，將導(dǎo)致元器件失效。國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件的溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升為50℃時(shí)，壽命只有25℃時(shí)的1/6。如今，開(kāi)關(guān)電源的電路可靠性熱設(shè)計(jì)和熱評(píng)估工作在設(shè)計(jì)過(guò)程中尚屬薄弱環(huán)節(jié)，大部分設(shè)計(jì)人員仍停留在依靠整機(jī)環(huán)境試驗(yàn)過(guò)關(guān)的狀況。雖然對(duì)電路進(jìn)行了一定的熱設(shè)計(jì)，并實(shí)施了一定的熱控制措施，但未對(duì)其熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行有效的評(píng)估，致使電源內(nèi)部個(gè)別過(guò)熱部件隱藏的故障隱患未能發(fā)現(xiàn)和排除，直接影響到整個(gè)電源的質(zhì)量和可靠性。因此，在電路設(shè)計(jì)初期設(shè)計(jì)師就需要對(duì)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題。
開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)
1開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的基本概念和目標(biāo)
所謂的熱設(shè)計(jì)就是利用熱傳遞特性，通過(guò)附加的冷卻措施，控制電子設(shè)備內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)降額后規(guī)定的最高允許工作溫度的設(shè)計(jì)技術(shù)。
實(shí)施熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)。首先，確保任何元器件不超過(guò)降額后的最大工作結(jié)溫T，max﹔其次，在給定的有限空間和重量下，盡可能保持元器件的散熱性能。元器件廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，給出了元器件的最大工作結(jié)溫。若破壞了第一個(gè)準(zhǔn)則，元器件將在幾分鐘內(nèi)失效，若破壞了后者，就會(huì)影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期壽命。
2開(kāi)關(guān)電源電路熱設(shè)計(jì)
在不影響產(chǎn)品本體性能的條件下，針對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路的具體要求，并結(jié)合元器件的熱分析，選擇合適的冷卻方式，是進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源電路熱設(shè)計(jì)的主要工作。熱設(shè)計(jì)的原則:一是減少發(fā)熱量，即選用最優(yōu)的控制方法和技術(shù)，如移相全橋技術(shù)，同步整流技術(shù)等;另外，選擇使用低功耗器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源效率;二是采用電源內(nèi)部的熱交換機(jī)制，采用傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式，如散熱器、風(fēng)冷(自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷(水和油)熱管等，將電源內(nèi)部多余的熱量轉(zhuǎn)移。
熱系統(tǒng)分析實(shí)際上是歐姆定律的變形，有直接與電氣領(lǐng)域的元器件相對(duì)應(yīng)的等效元件。電路中的每個(gè)元器件和節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)物理結(jié)構(gòu)體或表面，電源則對(duì)應(yīng)電路中的一個(gè)發(fā)熱元器件，它產(chǎn)生可計(jì)算或測(cè)量的功率。損耗就是發(fā)熱，開(kāi)關(guān)電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可忽略的因素。它不僅會(huì)影響到元器件的可靠性，而且對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出也產(chǎn)生影響。
功率器件的損耗主要包括開(kāi)關(guān)損耗Pru、導(dǎo)通損耗Pc和門極驅(qū)動(dòng)損耗Pg。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫Tj和熱阻Ro。當(dāng)結(jié)溫高于周圍環(huán)境溫度Ta時(shí)，Tj隨著溫差(Tj一Ta)的增大而增大，為了保證器件能夠長(zhǎng)期正常工作，必須規(guī)定最大結(jié)溫Timax。Timax的大小是根據(jù)器件的封裝材料、芯片材料和可靠性的要求確定的。功率器件的散熱能力主要通過(guò)熱阻來(lái)表征。熱阻越大，散熱能力越差。熱阻主要分為內(nèi)熱阻和外熱阻兩個(gè)部分:前者是器件本身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導(dǎo)熱率、厚度和器件的加工工藝有關(guān);后者則與管殼的封裝形式有關(guān)。通常管殼的表面積越大，熱阻越小。功率器件的熱設(shè)計(jì)主要分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)，封裝的熱設(shè)計(jì)，管殼的熱設(shè)計(jì)，以及功率器件實(shí)用熱設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)工程師的主要工作是針對(duì)功率器件的實(shí)用熱設(shè)計(jì)，其目的是通過(guò)計(jì)算功率器件的損耗，選擇合適的散熱器和合理的電路布局;通過(guò)散熱器的有效散熱，保證器件的結(jié)溫在安全的結(jié)溫之內(nèi)，且能長(zhǎng)期正?？煽康毓ぷ鳌?
變壓器的損耗包括:鐵心的損耗(鐵損)和線圈的損耗(銅損)。變壓器的鐵損和銅損分別構(gòu)成它的兩個(gè)熱源。由于熱輻射的原因，磁芯產(chǎn)生熱量的大部分直接散發(fā)到周圍空氣中，而小部分熱量則先傳遞給線圈，然后再由線圈散發(fā)到空氣中。同樣，線圈產(chǎn)生的熱量也有相似的傳熱方式，即部分直接散熱到空氣，另一部分則先傳遞給磁芯，再散發(fā)到空氣。隨著開(kāi)關(guān)電源工作頻率的不斷提高，損耗(包括鐵心損耗和銅損)也在急劇增大。為了提高變壓器的功率密度和熱性能，以防止熱失效，除了需要研究其損耗減小技術(shù)(包括開(kāi)發(fā)具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體材料和線圈設(shè)計(jì)技術(shù))、封裝技術(shù)以及散熱技術(shù)外，還需積極研究包括熱模型以及溫度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等熱設(shè)計(jì)技術(shù)。電源設(shè)計(jì)師應(yīng)該針對(duì)變壓器的線圈設(shè)計(jì)技術(shù).散熱技術(shù)、創(chuàng)建熱模型，以及利用熱仿真軟件等，進(jìn)行深入的研究。
開(kāi)關(guān)電源電路的熱設(shè)計(jì)流程
1)分析電源電路的布局結(jié)構(gòu)，確定主要發(fā)熱單元;根據(jù)電路理論中的相關(guān)公式，求得各發(fā)熱單元的理論損耗值。
2)分析電源電路對(duì)應(yīng)的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據(jù)熱設(shè)計(jì)理論，計(jì)算各個(gè)元器件的熱阻值;根據(jù)熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場(chǎng)分布特性，解出各節(jié)點(diǎn)的溫度值;根據(jù)熱路模型與電氣模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確立電氣模型。
3)建立該電路的3D熱模型。利用專業(yè)熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等)，根據(jù)流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)原理，采用有限元體積法，對(duì)建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算﹔根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出最佳方案。
4）模型或樣機(jī)試驗(yàn)分析。通過(guò)對(duì)模型或樣機(jī)測(cè)試測(cè)量，檢驗(yàn)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的偏差程度。
5)除了熱設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協(xié)同設(shè)計(jì)。
開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)模型的相關(guān)參數(shù)
下面以功率開(kāi)關(guān)管為例，介紹熱設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，如圖1所示。結(jié)點(diǎn)處的溫度最高，熱量將根據(jù)熱平衡原理，從圖1的左邊流動(dòng)到右邊，最后到達(dá)通風(fēng)的自然環(huán)境。使用熱導(dǎo)體，將熱量傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的熱交換器。傳導(dǎo)率Q通過(guò)傅里葉定律確定:
式中，Q為熱流(J/s(W));Td是熱導(dǎo)體兩端的溫差(℃);A是截面積;L為導(dǎo)體長(zhǎng)度;R。是熱阻。
上述定律只能用于一般的固熱導(dǎo)體。如果采用散熱管散熱，它的散熱機(jī)理屬于內(nèi)部冷卻劑的氣化潛伏熱，內(nèi)部熱阻是非線性的，上面等式就失效了。
各接觸面的溫度(即熱源)可根據(jù)熱轉(zhuǎn)移路徑上的熱流和熱阻建立熱平衡方程求得。其表達(dá)式為:
由(4)式可知，熱交換器的溫度可以通過(guò)測(cè)溫設(shè)備(簡(jiǎn)易的如熱電偶)測(cè)量得到，并且已知熱阻大小(可通過(guò)廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得)，即可計(jì)算出熱流和結(jié)點(diǎn)處的損耗。
實(shí)例分析
下面以一個(gè)實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源為例，介紹如何利用Ansoft軟件進(jìn)行熱仿真。該開(kāi)關(guān)電源電路的電氣參數(shù)列于表1。
仿真的主要參數(shù)
1)環(huán)境參數(shù):電路外部環(huán)境溫度為22℃，空氣之間的對(duì)流系數(shù)為10W/m2·K，指數(shù)(FEXP)為0.1，輻射系數(shù)(radioemissivity)為0.05，輻射參考溫度為22℃。系統(tǒng)求解域定義為電路外殼體積的2倍。
2主要尺寸參數(shù):電路外殼尺寸為200mm×70mm×30mm。
3)功耗參數(shù):本例電源系統(tǒng)的主要發(fā)熱元件共有16個(gè)，電路中主要發(fā)熱器件各接觸面的損耗可由(4)式求得，其中變壓器的損耗可分別由文獻(xiàn)[3]中的銅損及鐵損的計(jì)算公式分別求得。本例中將計(jì)算得到的各個(gè)主要發(fā)熱元器件的功率損耗值，按照參數(shù)類型歸類整理，如表2所示。
材料參數(shù):該電路中涉及的材料包括鋁合金、銅、塑料和電路基板材料-FR4。表3為元器件材料的主要參數(shù)。
仿真結(jié)果
根據(jù)主要發(fā)熱元器件的損耗計(jì)算公式，得到各損耗值，將其導(dǎo)入仿真軟件;利用Ansoft仿真軟件的內(nèi)部求解器獲得實(shí)際電路的3D發(fā)熱模型，如圖2所示。從圖中可以清晰地看到電路內(nèi)部及各個(gè)元器件上的熱量分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果(圖2)可知，功率MOSFET上的熱量和變壓器的熱量最高(紅色部分)，這與從電路理論上分析求得的這兩種器件的功耗(見(jiàn)表2)相吻合。
熱設(shè)計(jì)是提高電源產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的重要手段，正日益受到電源業(yè)界的重視。本文從介紹電路內(nèi)部主要發(fā)熱部件的發(fā)熱機(jī)理入手，簡(jiǎn)單介紹了熱設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)流程;結(jié)合實(shí)際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布特性。該仿真結(jié)果為電路的初期熱設(shè)計(jì)或者后期散熱性能的進(jìn)一步改進(jìn)提供了依據(jù)，可為熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高工作效率。
