 開關(guān)電源已普遍運用在當前的各類電子設(shè)備上，其單位功率密度也在不斷地提高。高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3。為提高開關(guān)電源工作的可靠性，熱設(shè)計在開關(guān)電源設(shè)計中是必不可少的重要一個環(huán)節(jié)。 開關(guān)電源內(nèi)部的溫升過高，將會導致對溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性就要下降10％；溫升50℃時的壽命只有溫升25°C時的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開關(guān)電源有大功率的發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一。 一個完整的開關(guān)電源熱設(shè)計包括兩個方面：一是如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二是如何將發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開關(guān)電源的可靠性。 一、控制發(fā)熱量的設(shè)計 開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導體開關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同的元器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且還可以提高開關(guān)電源的可靠性，提高平均無故障時間（MTBF）。而開關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關(guān)管的損耗由開關(guān)過程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成。因此，控制降低發(fā)熱量可以有以下措施進行解決。  2、開關(guān)過程損耗是由于柵電荷大小及開關(guān)時間引起的，減小開關(guān)過程損耗可以選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時間更短的器件來減少。 3、更為重要的是通過設(shè)計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來減小損耗，如采用軟開關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。 4、減小功率二極管的發(fā)熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會有更好的控制技術(shù)來減小損耗，可以通過選擇高質(zhì)量的二極管來減小損耗。 5、對于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來減小損耗。 6、對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應(yīng)，對于趨膚效應(yīng)造成的影響，可采用多股細漆包線并繞的辦法來解決。 二、開關(guān)電源的散熱設(shè)計 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開關(guān)電源的散熱設(shè)計： 散熱器、冷卻風扇、金屬pcb、絕緣導熱片等。在實際設(shè)計中需要針對客戶以及產(chǎn)品本身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(shè)計中。 1、半導體器件的散熱器設(shè)計 由于半導體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導地位，其熱量主要來源于半導體器件的開通、關(guān)斷及導通損耗。從電路拓撲方式上來講，采用零開關(guān)變換拓撲方式產(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過零時開通或關(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。 電源開關(guān)半導體散熱器選擇的基本原則 （1）散熱器選擇的基本依據(jù) 電力半導體器件的散熱器選擇要綜合根據(jù)器件的耗散功率、器件結(jié)殼熱阻、接觸熱阻以及冷卻介質(zhì)溫度來考慮。 （2）器件與散熱器緊固力的要求 要使器件與散熱器組裝后有良好的熱接觸，必須具有合適的安裝力或安裝力矩，其值由器件制造廠或器件標準給出，組裝時應(yīng)嚴格遵守不要超出規(guī)定的范圍。并且在實際的應(yīng)用中通常會在器件與散熱器之間添加一層導熱介質(zhì)材料提高其傳熱效率，降低兩者間的熱阻（如：GLPOLY導熱硅膠片和絕緣導熱片都是應(yīng)用在電源開關(guān)上不錯的選擇）。  自冷散熱器：環(huán)境溫度最好不高于40℃，安裝時散熱器翼片要垂直布置，上下端面不能有阻擋，以便散熱器周圍有良好的空氣自然對流的環(huán)境和通道。 風冷散熱器：進口空氣溫度控制在40℃以下，進口端風速最好達到6米/秒。 水冷散熱器：進口水溫不高于35℃。水流量要根據(jù)散熱總熱量需要和進出水設(shè)計溫差決定。 （4）選用散熱器的綜合考慮 選用散熱器應(yīng)綜合考慮散熱器的散熱能力范圍、冷卻方式、技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點，一種器件僅從技術(shù)參數(shù)看，可能有兩、三種散熱器均能滿足要求，但應(yīng)結(jié)合冷卻、安裝、通用互換和經(jīng)濟性綜合考慮選取。 2、風扇自然風冷與強制風冷 在開關(guān)電源的實際設(shè)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(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(shè)計上同樣應(yīng)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(yīng)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： 4、金屬PCB 隨著開關(guān)電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運用到實際產(chǎn)品中，這時散熱片難于安裝到功率器件上。當前克服該問題主要采取金屬PCB作為功率器件的載體，主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬PCB的散熱性遠好于傳統(tǒng)的PCB且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯PCB，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或高導熱的環(huán)氧樹脂，它是可以雙面貼裝smd元件，大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬PCB上，利用金屬PCB中的金屬板來散熱。 5、發(fā)熱元件的布局 開關(guān)電源中主要發(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(guān)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(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(yīng)盡可能遠離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。 |
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