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。但它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果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，本文就針對提高開關(guān)電源工作的可靠性，分享幾種在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中熱設(shè)計(jì)的方法。

 

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 于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位，其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗，從電路拓?fù)浞绞缴蟻碇v，采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn) 生諧振使電路中的電壓或電流在過零時(shí)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。

 

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圖1所示。

 

 

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)

 

θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)

 

又因?yàn)?theta;b比θs +θc+θf大很多，故可近似為

 

θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)
 

（1）pn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)對它產(chǎn)生影響。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。

 

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

 

散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。因此一般都會(huì)設(shè)法增強(qiáng)散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的面積、設(shè)計(jì)合理的散熱風(fēng)道、增強(qiáng)散熱器表面的風(fēng)速。散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)值如圖3所示：

但如果過于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過于密集則會(huì)影響到空氣的對流，熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì)降低散熱效果。自然風(fēng)冷時(shí)散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大，選擇強(qiáng)制風(fēng)冷則可適當(dāng)減小叉指間距。如圖4所示：

 

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

 [例] 2scs5197在電路中消耗的功率為pdc=15w，工作環(huán)境溫度ta=60℃，求在正常工作時(shí)散熱器的面積應(yīng)是多少？

 

解: 查2scs5197的產(chǎn)品目錄得知:pcmax=80w(tc=25℃)，tjmax=150℃且該功率管使用了絕緣墊和硅油，θs+θc=0.8℃/w

 

從(2)式可得

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厚的鋁材至少需要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。

 

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流。

 

強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對流，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：

開 關(guān)電源中主要發(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)離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。