开关电源热设计

1、开关电源热设计讨论散热设计的一些基本原则 从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则: 对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列,如图3示;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列. 同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游. 在水平方向上,大功率

2、器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响. 对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局. 设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板.空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题. 电子设备散热的重要性 在电子设备广泛应用的今天.如何保证电子设备的长时间可靠运行,一直

3、困扰着工程师们.造成电子设备故障的原因虽然很多,但是高温是其中最重要的因素(其它因素重要性依次是振动Vibration、潮湿Humidity、灰尘Dust),温度对电子设备的影响高达60%. 温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示: F = Ae-E/KT 其中: F = 故障率, A=常数 E = 功率 K =玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K) T = 结点温度 随着芯片的集成度、功率密度的日愈提高,芯片的温度越来越成为系统稳定工作、性能提升的绊脚石.作为一个合格的电子产品设计人员,除了成功实现产品的功能之外,还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命,环境适应能力等等.而这些都和温度

4、有着直接或间接的关系.数据显示,45%的电子产品损坏是由于温度过高.可见散热设计的重要性. 如何对产品进行热设计,首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础依.如何理解Datasheet的相关参数呢?下面将对Datasheet中常用的热参数逐一说明. 一、 Datasheet中和散热有关的几个重要参数 P-芯片功耗,单位W(瓦).功耗是热量产生的直接原因.功耗大的芯片,发热量也一定大. Tc-芯片壳体温度,单位. Tj-结点温度,单位.随着结点温度的提高,半导体器件性能将会下降.结点温度过高将导致芯片工作不稳定,系统死机,最终芯片烧毁. Ta-环境温度,单位. Tstg-存

5、储温度,单位.芯片的储存温度. Rja/ja-结点到环境的热阻,单位/W. Rjc/jc-结点到芯片壳的热阻,单位/W jt-可以理解为结点到芯片上表面的热阻.当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数. LFM-风速单位,英尺/分钟. 提供最大Ta、Tj、P-早期的芯片Datasheet一般都是这种.理论上我们只需要保证芯片附近的环境温度不超过这个指标就可以保证芯片可以正常工作.但是实际并非如此.Ta这个参数是按照JEDEC标准测试而得.JEDEC标准是这样定义的:把芯片置于一块3X4.5英寸的4层PCB中间,环境温度测试探头距离这块PCB的板边缘12英寸.可见我们产品几乎不可能满足这种

6、测试条件.因此,Ta在这里对我们来说,没什么意义.在这种情况下保守的做法是:保证芯片的壳体温度TcTa-max,一般来说芯片是可以正常工作的.br 直接提供Tc-max-这种情况相对较少,处理也相对简单.只需保证TcTc-max即可.br 提供Tj、Rjc/jc、P-近2年来,随着热设计的重要性不断提高,大部分的芯片资料都会提供上述参数.基本公式如下: Tj=Tc+Rjc*P 只要保证TjTj-max即可保证芯片正常工作. 归根结底,我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值,芯片就可以正常工作. 如何判断芯片是否需要增加散热措施 第一步:搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc

7、、Tj等 第二步:计算Tc-max:Tc-max=Tj- Rjc*P 第三步:计算要达到目标需要的Rca:Rca=(Tc-max-Ta)/P 第四步:计算芯片本身的Rca:Rca=Rja-Rjc 如果Rca大于 Rca,说明不需要增加额外的散热措施. 如果Rca小于Rca,说明需要增加额外的散热措施.比如增加散热器、增加风扇等等. 如前所述,Rja不能用于准确的计算芯片的温度,所以这种方法只能用于简单的判断.而不能用于最终的依据.下面举一个简单的例子: 例:某芯片功耗1.7W;Rja53/W;Tj125;Rjc25/W,芯片工作的最大环境温度是50.判断该芯片是否需要加散热器,散热器热阻是多少

8、. Tc-max=Tj- Rjc*P =125-25/W*1.7W =82.5 Rca=(Tc-max-Ta)/P =(82.5-50)1.7 =19.12/W Rca=Rja-Rjc =53-25 =28/W Rca小于Rca,所以需要增加散热器. 散热器的热阻假设为Rs,则有: Rs/Rca小于Rca Rs*28/(Rs+28)小于19.12 Rs小于60.29/W 所以选用的散热器热阻必须小于60.29/W. 在普通的数字电路设计中,我们很少考虑到集成电路的散热,因为低速芯片的功耗一般很小,在正常的自然散热条件下,芯片的温升不会太大.随着芯片速率的不断提高,单个芯片的功耗也逐渐变大,例如

9、:Intel的奔腾CPU的功耗可达到 25W.当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时,就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放,使芯片工作在正常温度范围之内. 通常条件下,热量的传递包括三种方式:传导、对流和辐射.传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递,对流是借助流体的流动传递热量,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量. 在实际应用中,散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用.散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器,散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同

10、时流通的空气也能带走更大的热能.风扇的使用也分为两种形式,一种是直接安装在散热器表面,另一种是安装在机箱和机架上,提高整个空间的空气流速.与电路计算中最基本的欧姆定律类似,散热的计算有一个最基本的公式: 温差 = 热阻 功耗 在使用散热器的情况下,散热器与周围空气之间的热释放的阻力称为热阻,散热器与空气之间热流的大小用芯片的功耗来代表,这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样.同样,散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻.热阻的单位为/W.选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻.热阻越小,散热器

11、的散热能力越强.浅析高频开关电源的热设计 摘要 : 阐 述 了 高 频 开 关 电 源 热 设 计 的 一 般 原 则 , 着 重 分 析 了 开 关 电 源 散 热 器 的 热 结 构 设 计 . 关键词: 高 频 开 关 电 源 ; 热 设 计 ; 散 热 器 1 引 言 电 子 产 品 对 工 作 温 度 一 般 均 有 严 格 的 要 求 . 电 源 设 备 内 部 过 高 的 温 升 将 会 导 致 对 温 度 敏 感的 半 导 体 器 件 、 电 解 电 容 等 元 器 件 的 失 效 . 当 温 度 超 过 一 定 值 时 , 失 效 率 呈 指 数 规 律 增 加 .有 统 计

12、 资 料 表 明 , 电 子 元 器 件 温 度 每 升 高 2 , 可 靠 性 下 降 10% ; 温 升 50 时 的 寿 命 只 有 温 升为 25 时 的 1/6. 所 以 电 子 设 备 均 会 遇 到 控 制 整 个 机 箱 及 内 部 元 器 件 温 升 的 要 求 , 这 就 是 电 子设 备 的 热 设 计 . 而 高 频 开 关 电 源 这 一 类 拥 有 大 功 率 发 热 器 件 的 设 备 , 温 度 更 是 影 响 其 可 靠 性的 最 重 要 的 因 素 , 为 此 对 整 体 的 热 设 计 有 严 格 要 求 . 完 整 的 热 设 计 包 括 两 方 面 :

13、 如 何 控 制 热源 的 发 热 量 ; 如 何 将 热 源 产 生 的 热 量 散 出 去 . 最 终 目 的 是 如 何 将 达 到 热 平 衡 后 的 电 子 设 备 温度 控 制 在 允 许 范 围 以 内 . 2 发 热 控 制 设 计 开 关 电 源 中 主 要 的 发 热 元 器 件 为 半 导 体 开 关 管 ( 如 MOSFET、IGBT、 GTR、 SCR等 ) , 大 功 率二 极 管 ( 如 超 快 恢 复 二 极 管 、 肖 特 基 二 极 管 等 ) , 高 频 变 压 器 、 滤 波 电 感 等 磁 性 元 件 以 及 假负 载 等 . 针 对 每 一 种 发

14、热 元 器 件 均 有 不 同 的 控 制 发 热 量 的 方 法 . 2.1 减 少 功 率 开 关 的 发 热 量 开 关 管 是 高 频 开 关 电 源 中 发 热 量 较 大 的 器 件 之 一 , 减 少 它 的 发 热 量 , 不 仅 可 以 提 高 开 关 管自 身 的 可 靠 性 , 而 且 也 可 以 降 低 整 机 温 度 , 提 高 整 机 效 率 和 平 均 无 故 障 时 间 ( MTBF) . 开 关管 在 正 常 工 作 时 , 呈 开 通 、 关 断 两 种 状 态 , 所 产 生 的 损 耗 可 细 分 成 两 种 临 界 状 态 产 生 的 损 耗和 导 通

15、 状 态 产 生 的 损 耗 . 其 中 导 通 状 态 的 损 耗 由 开 关 管 本 身 的 通 态 电 阻 决 定 . 可 以 通 过 选 择低 通 态 电 阻 的 开 关 管 来 减 少 这 种 损 耗 . MOSFET的 通 态 电 阻 较 IGBT的 大 , 但 它 的 工 作 频 率 高 ,因 此 仍 是 开 关 电 源 设 计 的 首 选 器 件 . 现 在 IR公 司 新 推 出 的 IRL3713系 列 HEXFET(六 角 形 场 效 应晶 体 管 )功 率 MOSFET已 将 通 态 电 阻 做 到 3 m , 从 而 使 这 些 器 件 具 有 更 低 的 传 导 损

16、 失 、 栅 电 荷和 开 关 损 耗 . 美 国 APT公 司 也 有 类 似 的 产 品 . 开 通 和 关 断 两 种 临 界 状 态 的 损 耗 也 可 通 过 选 择 开关 速 度 更 快 、 恢 复 时 间 更 短 的 器 件 来 减 少 . 但 更 为 重 要 的 则 是 通 过 设 计 更 优 的 控 制 方 式 和 缓冲 技 术 来 减 少 损 耗 , 这 种 方 法 在 开 关 频 率 越 高 时 越 能 体 现 出 优 势 来 . 如 各 种 软 开 关 技 术 , 能让 开 关 管 在 零 电 压 、 零 电 流 状 态 下 开 通 或 关 断 , 从 而 大 大 减

17、少 了 这 两 种 状 态 产 生 的 损 耗 . 而一 些 生 产 厂 家 从 成 本 上 考 虑 仍 采 用 硬 开 关 技 术 , 则 可 以 通 过 各 种 类 型 的 缓 冲 技 术 来 减 少 开 关管 的 损 耗 , 提 高 其 可 靠 性 . 2.2 减 少 功 率 二 极 管 的 发 热 量 高 频 开 关 电 源 中 , 功 率 二 极 管 的 应 用 有 多 处 , 所选 用 的 种 类 也 不 同 . 对 于 将 输 入 50Hz交 流 电 整 流 成 直 流 电 的 功 率 二 极 管 以 及 缓 冲 电 路 中 的快 恢 复 二 极 管 , 一 般 情 况 下 均

18、不 会 有 更 优 的 控 制 技 术 来 减 少 损 耗 , 只 能 通 过 选 择 高 品 质 的 器件 , 如 采 用 导 通 压 降 更 低 的 肖 特 基 二 极 管 或 关 断 速 度 更 快 且 软 恢 复 的 超 快 恢 复 二 极 管 , 来 减少 损 耗 , 降 低 发 热 量 . 高 频 变 压 器 二 次 侧 的 整 流 电 路 还 可 以 采 用 同 步 整 流 方 式 , 进 一 步 减 少整 流 压 降 损 耗 和 发 热 量 , 但 它 们 均 会 增 加 成 本 . 所 以 生 产 厂 家 如 何 掌 握 性 能 与 成 本 之 间 的 平衡 , 达 到 性

19、价 比 最 高 是 个 很 值 得 研 究 的 问 题 . 2.3 减 少 高 频 变 压 器 与 滤 波 电 感 等 磁 性 元 件 的 发 热 高 频 开 关 电 源 中 不 可 缺 少 地 应 用 了 各 种 磁 性 元 件 , 如 滤 波 器 中 的 扼 流 圈 、 储 能 滤 波 电 感 ,隔 离 型 的 电 源 还 有 高 频 变 压 器 . 它 们 在 工 作 中 会 产 生 或 多 或 少 的 铜 损 、 铁 损 , 这 些 损 耗 以 发热 的 方 式 散 发 出 来 . 尤 其 是 电 感 和 变 压 器 , 线 圈 中 所 流 的 高 频 电 流 由 于 趋 肤 效 应

20、的 影 响 , 会使 铜 损 成 倍 增 加 , 这 样 电 感 、 变 压 器 所 产 生 的 损 耗 成 为 不 可 忽 视 的 一 部 分 . 因 此 在 设 计 上 要采 用 多 股 细 漆 包 线 并 联 缠 绕 , 或 采 用 宽 而 薄 的 铜 片 缠 绕 , 以 降 低 趋 肤 效 应 造 成 的 影 响 . 磁 芯一 般 选 用 高 品 质 铁 氧 体 材 质 , 如 日 本 生 产 的 TDK磁 性 材 料 . 型 号 的 选 择 上 要 留 有 一 定 的 余 量 ,防 止 出 现 磁 饱 和 . 2.4 减 少 假 负 载 的 发 热 量 大 功 率 开 关 电 源 为

21、 避 免 空 载 状 态 引 起 的 电 压 升 高 , 往 往 设 有 假 负 载 大 功 率 电 阻 , 带 有源 PFC单 元 的 电 源 更 是 如 此 . 开 关 电 源 工 作 时 , 假 负 载 要 通 过 少 量 电 流 , 不 但 会 降 低 开 关 电 源的 效 率 , 而 且 其 发 热 量 也 是 影 响 整 机 热 稳 定 性 的 因 素 . 假 负 载 在 印 制 板 ( PCB) 上 的 位 置 往 往与 输 出 滤 波 用 的 电 解 电 容 靠 得 很 近 , 而 电 解 电 容 对 温 度 极 为 敏 感 . 因 此 很 有 必 要 降 低 假 负 载的 发

22、 热 量 . 比 较 可 行 的 办 法 是 将 假 负 载 设 计 成 阻 抗 可 变 方 式 . 通 过 对 开 关 电 源 输 出 电 流 的 检测 来 控 制 假 负 载 阻 抗 的 大 小 , 当 电 源 处 于 正 常 负 载 时 , 假 负 载 退 出 消 耗 电 流 状 态 ; 空 载 时 ,假 负 载 消 耗 电 流 最 大 . 这 样 既 不 会 影 响 电 源 空 载 时 的 稳 定 性 , 也 不 会 降 低 电 源 的 效 率 和 产 生大 量 不 必 要 的 热 量 . 3 散 热 设 计 3.1 散 热 的 基 本 方 式 及 其 计 算 方 法 散 热 有 三

23、种 基 本 方 式 : 热 传 导 、 对 流 换 热 和 热 辐 射 . 1) 热 传 导 靠 物 体 直 接 接 触 或 物 体 内 部 各部 分 之 间 发 生 的 传 热 即 是 热 传 导 . 其 机 理 是 不 同 温 度 的 物 体 或 物 体 不 同 温 度 的 各 部 分 之 间 、分 子 动 能 的 相 互 传 递 . 热 传 导 与 电 流 的 概 念 非 常 类 似 , 热 量 总 是 从 温 度 高 的 地 方 传 导 到 温 度低 的 地 方 , 热 传 导 过 程 中 有 热 阻 存 在 如 同 电 流 流 动 过 程 中 有 电 阻 一 样 . 其 热 流 量

24、式中 Rt为 热 阻 , 为 温 度 差 . 而 热 阻, 式 中 为 导 体 厚 度 , 为 热 导 率 , A为 导 体 截面 积 . 这 样 , 在 开 关 电 源 设 计 中 , 可 以 由 发 热 源 的 耗 散 功 率 , 求 出 温 升 = Rt. 由 于 实 际 应用 中 , 热 流 量 从 热 源 出 发 到 达 散 热 器 往 往 要 经 过 几 种 不 同 材 料 的 热 导 体 , 即 存 在 不 同 热 阻 的串 联 , 在 计 算 时 , 总 热 阻 为 多 个 热 阻 的 和 . 2) 对 流 换 热 热 量 通 过 热 传 导 的 方 式 传 给 与 它 紧 靠

25、 在 一 起 的 流 体 层 , 这 层 流 体 受 热 后 , 体积 膨 胀 , 密 度 变 小 , 向 上 流 动 , 周 围 的 密 度 大 的 流 体 流 过 来 填 充 , 填 充 过 来 的 流 体 吸 热 膨 胀向 上 流 动 , 如 此 循 环 , 不 断 从 发 热 元 器 件 表 面 带 走 热 量 , 这 一 过 程 称 为 对 流 换 热 . 对 流 换 热的 计 算 一 般 采 用 牛 顿 所 提 出 的 公 式 : = A( 1- 2)W, 其 中 A为 与 流 体 接 触 的 壁 面 面 积 m2, 为 对 流 换 热 系 数 , 1为 壁 面 温 度 K, 2为

26、 流 体 平 均 温 度 K. 由 此 可 见 , 热 流 量 与 对 流 换 热 系 数 , 截 面 积 A及 固 体 表 面 与 流 体 的 温 度 差 ( 1- 2) 的 乘 积 成 正 比 . 对 流换 热 是 一 种 复 杂 的 热 传 递 过 程 , 它 不 仅 决 定 于 热 的 过 程 , 而 且 决 定 于 气 体 的 动 力 学 过 程 . 简单 地 说 , 影 响 对 流 换 热 的 因 素 有 两 个 方 面 : ( 1) 流 体 的 物 理 性 质 , 如 密 度 、 粘 度 、 膨 胀 系 数、 热 导 率 、 比 热 等 ; ( 2) 流 体 的 流 动 情 况

27、, 是 自 然 对 流 还 是 强 迫 对 流 , 是 层 流 还 是 紊 流 . 因为 层 流 时 , 热 传 递 主 要 依 靠 互 不 相 干 的 流 层 之 间 导 热 ; 而 紊 流 时 , 则 在 紧 贴 壁 面 的 层 流 底 层之 外 , 流 体 产 生 漩 涡 加 强 了 热 传 递 作 用 . 一 般 而 言 , 在 其 它 条 件 相 同 情 况 下 , 紊 流 的 换 热 系数 比 层 流 的 换 热 系 数 大 好 几 倍 , 甚 至 更 多 . 3) 热 辐 射 由 于 温 差 引 起 的 电 磁 波 传 播 称 为 热 辐 射 . 它 的 过 程 比 热 传 导

28、和 对 流 换 热 复 杂 得多 . 它 是 将 物 体 的 一 部 分 热 能 转 换 成 电 磁 波 的 能 量 , 通 过 能 传 递 电 磁 波 的 介 质 如 空 气 、 真 空等 , 向 四 周 传 播 出 去 , 当 遇 到 其 它 物 体 时 , 则 一 部 分 被 吸 收 再 转 化 为 热 能 , 剩 下 的 则 被 反 射回 来 . 各 种 物 体 所 散 发 出 来 的 红 外 线 , 即 是 热 辐 射 的 一 种 . 在 真 空 或 空 气 中 , 物 体 辐 射 出 去的 辐 射 能 力 , 决 定 于 物 体 的 性 质 、 表 面 状 况 ( 如 颜 色 、粗

29、 糙 度 等 ) 、 表 面 积 大 小 及 表 面 温 度 等 . = bA(T14- T24)其 中 b为 波 尔 兹 曼 常 数 ,值 为 5.67 10- 8, A为 辐 射 表 面 积 m2, T为 两 物 体 表 面 的 绝 对 温 度 K, 为 表 面 黑 度 . 物 体表 面 颜 色 越 深 , 越 粗 糙 , 辐 射 能 力 越 强 . 3.2 开 关 电 源 中 各 发 热 源 的 主 要 散 热 方 式 开 关 电 源 中 各 发 热 源 , 如 整 流 桥 、 功 率 开 关 管 、 快 恢 复 二 极 管 、 磁 性 元 件 以 及 作 为 假 负 载的 大 功 率

30、电 阻 等 , 这 些 元 器 件 所 产 生 的 热 量 必 须 设 法 散 发 出 去 , 一 般 热 设 计 所 采 用 的 散 热 方式 主 要 是 传 导 换 热 和 对 流 换 热 . 即 所 有 发 热 元 器 件 均 先 固 定 在 散 热 器 上 , 热 量 通 过 热 传 导 方式 传 递 给 散 热 器 , 散 热 器 上 的 热 量 再 通 过 对 流 换 热 的 方 式 由 空 气 带 出 机 箱 . 实 际 的 散 热 情 况为 三 种 传 热 方 式 的 综 合 , 可 以 用 牛 顿 公 式 来 统 一 表 达 : =KS , 其 中 S为 散 热 表 面 积

31、, K为 表面 散 热 系 数 . 表 面 散 热 系 数 通 常 由 试 验 确 定 , 在 一 般 的 工 程 流 体 力 学 中 有 数 据 可 查 . 它 把 传热 的 三 种 形 式 全 部 统 一 起 来 了 . 通 过 =KS , 我 们 可 以 在 计 算 出 耗 散 功 率 以 后 , 根 据 允 许 温 升 来 确 定 散 热 表 面 积 S, 并由 此 而 确 定 所 要 选 用 的 散 热 器 . 这 种 计 算 对 于 提 高 开 关 电 源 的 可 靠 性 、 功 率 密 度 、 性 价 比 等都 有 着 重 要 意 义 . 在 相 当 多 的 情 况 下 , 生

32、产 厂 家 为 了 降 低 电 源 模 块 的 成 本 , 往 往 采 用 通 用 型的 散 热 器 , 这 些 散 热 器 的 设 计 并 不 一 定 非 常 合 适 . 对 于 特 定 的 要 求 高 可 靠 性 的 通 信 用 高 频 开关 电 源 来 说 , 有 针 对 性 地 设 计 专 门 的 散 热 器 就 显 得 很 重 要 . 例 如 新 西 兰 的 一 种 用 于 通 信 电 源系 统 的 整 流 模 块 Intergy R2948( 48 V/60 A) 单 模 块 输 出 功 率 2 900 W, 它 所 采 用 的 风 冷 散 热为 前 进 风 , 斜 上 出 风 方 式 , 其 散 热 器 为 专 门 设 计 . 它 最 突 出 的 特 点 是 散 热 器 上 的 散 热 片 均 呈一 定 的 斜 角 , 可 将 流 过 的 空 气 导 向 斜 上 方 , 这 种 流 向 符 合 热 空 气 由 下 往 上 流 动 的 物 理 特 性 ,这 样 在 相 同 散 热 功 率 下