開關(guān)電源的熱設(shè)計

1、2021/3/101 開關(guān)電源的熱設(shè)計 2021/3/102 散熱設(shè)計 計算機機箱內(nèi)的熱分布及風冷氣流 計算機機箱風冷時的熱分布 每超過室溫10度，元器件的 壽命將下降一半 2021/3/103 效率 n輸入輸出電壓高，容易高效 n額定功率大，容易高效 n高效的變壓器尺寸較大 n中小功率范圍內(nèi)，效率很難超越95% n2W以下的功率等級，70%已經(jīng)很高 nCMOS好于TTL 2021/3/104 散熱途徑 傳導(dǎo)、對流、輻射。傳導(dǎo)、對流、輻射。 高溫高溫 低溫低溫 熱氣上行 2021/3/105 常用元器件的允許工作溫度 元器件名稱元器件名稱表面允許溫度表面允許溫度元器件名稱元器件名稱表面允許溫度

2、表面允許溫度 碳膜電阻碳膜電阻120瓷介電容瓷介電容8085 金屬膜電阻金屬膜電阻100玻璃釉電容玻璃釉電容100 壓制線繞電阻壓制線繞電阻150鍺晶體管鍺晶體管70100 涂釉線繞電阻涂釉線繞電阻225硅晶體管硅晶體管150200 紙介電容紙介電容7585硒整流器硒整流器7585 電解電容電解電容6085電子管電子管15200 薄膜電容薄膜電容60130變壓器、扼流變壓器、扼流 圈圈 95 2021/3/106 熱阻概念R Pd Tj R 自然大氣空間 Ta d aj d P TT P T R oC / W 熱阻溫度差/熱源功率 串并聯(lián)方法與電阻相同串并聯(lián)方法與電阻相同 2021/3/107

3、 熱量單位參數(shù)熱量單位參數(shù)單位電模擬電模擬單位 時間時間ts時間時間ts 溫度差溫度差Td電勢差電勢差PdV 熱阻熱阻R/W電阻電阻R 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率KW/電導(dǎo)率電導(dǎo)率S 熱能熱能PqJ電能電能PJ 熱流熱流QJ/s(W)電流電流IA 熱容量熱容量ChJ/電容電容CF 2021/3/108 (1)選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作 溫度。如選用耐熱性能較好的硅三極管取代熱性能較差的鍺三極管、 觸點材料盡量以鉑銀取代銅。 (2)減小電源內(nèi)部的發(fā)熱量。為此，應(yīng)盡量選用小功率執(zhí)行元件，如 用晶體管代替真空管，選用小功率變壓器或者不用變壓器，多選用微 功耗器件并在電路設(shè)計中盡量減少

4、發(fā)熱元器件的數(shù)量，選取熱負荷時 應(yīng)留有適當?shù)膬淞俊?(3)用冷卻的方法降低環(huán)境溫度加快散熱速度。 在室溫下，對熱阻的要求不大于30W時, 可不考慮散熱問題。 對熱阻的要求在5W - 4W時, 可用叉指形散熱器散熱。 在4oCW一0.2oCW時，可用型材散熱器。 在1W一0.05W時，可用強制風冷。 在0.1oCW一0.02oCW時，可用水冷。 當對熱阻的要求低于0.02W時，可考慮用熱管. 散熱設(shè)計的要求 2021/3/109 一般地，三極管的PC(max) 是在保持管殼溫度Ta=25不變，Tj達到 150條件下確定的功耗值，因此可用下式 /W 求出R (max)c aj P TT R R越

5、大，一定結(jié)溫下Pcmax 2021/3/1010 常見封裝外殼的熱阻 元件要向大氣散發(fā)熱量， 其熱阻是Rc-a ， To-220型熱阻為60/w， 不采用散熱器時，功率封裝只能耗散最大功率的5%以下，包 括表面貼裝時以PCB板散熱的情況。 2021/3/1011 常見封裝外殼的熱阻(續(xù)) To-3P為40/w， To-3為30/w， 2021/3/1012 器件手冊里的相關(guān)參數(shù) 2021/3/1013 傳導(dǎo)散熱 n1、導(dǎo)熱體傳導(dǎo)(導(dǎo)熱定律) nK-熱導(dǎo)率 nA-截面積 nL-導(dǎo)熱路徑長度 L T KAQ K KA L R 2021/3/1014 各種材料的熱導(dǎo)率(W/cmC) 材料材料鋁鋁純銅

6、純銅鐵鐵三氧三氧 化化 二二 鋁鋁 熱導(dǎo)熱導(dǎo) 率率 K 1.553.980.590.36 材料材料塑料塑料水水空氣空氣硅脂硅脂 熱導(dǎo)熱導(dǎo) 率率 K 0.0050.00670.0002 6 0.002 2021/3/1015 傳導(dǎo)散熱 n2、界面?zhèn)鲗?dǎo) nhi-界面的熱導(dǎo)系數(shù) n與光潔度、表面受壓大小、填充材料有關(guān) TAhQ i 2021/3/1016 接觸熱阻( )參考數(shù)據(jù) R(C-S) 墊片材料 墊片厚度 接觸熱阻R(C-S) ( oC/W) 加硅脂 無硅脂 無墊片 鋁泊 銅泊 云母 聚酯薄膜 氧化鈹瓷片 氧化鋁瓷片 氮化硼瓷片 0.02 0.03 0.12 0.02 4.0 1.88 1.5

7、 0.24 0.4 0.60-0.61 0.30-0.31 0.5 0.46-0.49 0.33 0.28-0.30 0.30-0.32 0.8 0.97-1.04 0.65-0.68 1.00-1.16 2021/3/1017 RJC RDBC Tj Rsolder1 Rheat-sink Tfluid Rfluid Rsolder2 2021/3/1018 器件的熱阻等效電路 Pd TjTC Ta R(j-C)R(C-a) R(C-S) R(S-a) 自然大氣空間 結(jié)到外殼 外殼到空氣 外殼到散熱器 散熱器到空氣 2021/3/1019 常見散熱片 平板式 燕翅式 注意放置方式 2021/

8、3/1020 散熱器的散熱類型 1. 自冷式散 熱器 2. 風冷式散 熱器 3. 水冷式散 熱器 4. 沸騰式散 熱器 5. 熱管散熱 器 對流換熱系數(shù)為( 6 -13) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 常用于 額定電流小于20A的器件或簡單裝置中的大電流器件. 對流換熱系數(shù)為(35 - 62) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 是自冷 式散熱器效率的2-4倍. 常用于額定電流在50A-500A的 器件中. 對流換熱系數(shù)為(2000) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 是自冷 式散熱器效率的150-300倍. 常用于額定電流在500A以 上的器件中. 需解決好水

9、質(zhì)和凝露問題. 對流換熱系數(shù)為(3000 -7000) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 其 等效導(dǎo)熱率相當于同幾何尺寸實心銅導(dǎo)熱率的380倍. 熱管是一種新型高效的傳熱元件, 因它利用了沸騰吸熱 和凝結(jié)放熱兩種最強烈的傳熱機理, 因而表現(xiàn)出優(yōu)異的 傳熱特性. 即傳熱效率高和沿軸向的等溫性好. 其散熱 效率是比同質(zhì)量的銅散熱器大2-3個數(shù)量級. 2021/3/1021 熱管的原理熱管的原理 熱管(英文名：Heat Pipe 1963年美國LOS ALAMOS國家實驗 室G.M.GROVER在應(yīng)用物理雜志命名),是一種導(dǎo)熱性能 力特別強的導(dǎo)熱管元件，傳熱效率比同樣材質(zhì)的純銅高出 數(shù)千倍

10、。 熱管工作原理說明：熱管管內(nèi)的液體受熱汽化；汽化了的飽 和蒸汽向冷端流動；飽和蒸汽在冷端冷凝放出熱量；冷凝液 體回到熱端繼續(xù)吸熱汽化。 2021/3/1022 HEAT SINK VOLUME (in3) 熱阻R(S-a) (oC/W) 熱阻與散熱器容積的關(guān)系熱阻與散熱器容積的關(guān)系, 自然對流和強迫風冷自然對流和強迫風冷 發(fā)熱量增大到兩倍，散熱器體積要增大到四倍 2021/3/1023 散熱器(Heat Sink)熱阻( )估算公式R(S-a) C Akd C R aS 65010 5 . 0 )( 式中, K為散熱器熱導(dǎo)率, d 和A 分別是HEAT SINK 的厚度和面積, 分別以cm

11、和cm2表示. C是修正因子. 此式在空氣溫度不超過45oC時成立. 散熱器的修正因子取值散熱器的修正因子取值 安裝角度 表面光潔 表面黑化 垂 直 0.85 0.43 水 平 1.0 0.5 2021/3/1024 散熱器的選擇方法 2. 最大外殼溫度 )(maxmaxCjdjC RPTT 3. 散熱器熱阻計算(R(C-S)+R(S-a) =R(C-a) d aC aC P TT R max )( 1. 器件的損耗功率(Pd) 開關(guān)損耗 PS 通態(tài)損耗 PON 斷態(tài)損耗 POFF 驅(qū)動損耗 PGATE 2021/3/1025 器件損耗功率(Pd)的一般計算 通態(tài)功耗 PON MOSFETfo

12、rDRIP DUIP yDSDSON yonCON 2 對感性負載 Soffon Md S ftt IU P)( 2 對阻性負載 Soffon Md S ftt IU P)( 6 開關(guān)功耗 PS 斷態(tài)損耗 POFF 一般忽略 驅(qū)動損耗 PGATE 根據(jù)不同器件確定 吸收回路的損耗 根據(jù)具體的吸收回路及其參數(shù)而定 MOSFET 、IGBT等壓控器件的驅(qū)動損耗要小 于電流型驅(qū)動器件 2021/3/1026 Vgs 開通損耗 2021/3/1027 關(guān)斷損耗 2021/3/1028 散熱器的選擇實例 一DC/DC電源的功率晶體管, 其工作電流20A, 電壓100V, 開關(guān)頻率fS 為10kHz, 占

13、空比Dy為0.5, R(j-c)為0.5oC/W, 通態(tài)管壓降為1V, 開和關(guān) 的時間為1s和2 s, 環(huán)境溫度25oC時, 管的結(jié)溫不超過155oC, 直接 安裝在無硅油的散熱器上, 要求選配合適的散熱器. (2) 通態(tài)損耗 PON yonCON DUIP = 10 W (3) 斷態(tài)損耗 POFF 忽略 (4) 驅(qū)動損耗 PGATE 忽略 TOTAL Pd = PS + PON = 40 W (5) 總損耗 Pd (1) 開關(guān)損耗 PS Soffon Md S ftt IU P)( 2 = 30 W 1. 器件功耗 2021/3/1029 散熱器的選擇實例(續(xù)) 2. 最大外殼溫度 )(ma

14、xmaxCjdjC RPTT = 155 - 40 X 0.5 = 135 oC 3. 散熱器熱阻計算(R(C-S)+R(S-a) = R(C-a) d aC aC P TT R max )(= 75. 2 40 25135 (oC/W) 查表得R(C-S)為0.33oC/W, 故R(S-a) =2.42oC/W 2021/3/1030 散熱器的選擇的注意點 1. 在保證散熱要求的前提下,盡量選用體積小、重量輕的 散熱器。 2. 安裝時,盡量增大器件和散熱器的接觸面積和壓力，用 硅脂涂在接觸面上。注意安裝的方式和方向。 3. 散熱器表面應(yīng)粗糙，但與器件接觸面要有好的光潔度， 涂黑。 4. 管子

15、與機殼絕緣時，應(yīng)使散熱器與機殼絕緣，不僅采 用電絕緣片。 5. 密封情況下，要注意沒有對流。 6. 風冷時的風道設(shè)計。 2021/3/1031 輻射散熱 4 2 4 1 TTfeAQ T1-高溫物體溫度 T2-低溫物體溫度 e-輻射率（無量綱） f-視野系數(shù)（無量綱） A-高溫物體表面積 -斯特凡一玻爾茲曼常數(shù) 2021/3/1032 幾種材料的輻射率（100C） n鋁（工業(yè)薄板）：鋁（工業(yè)薄板）：0.09 n鋁（氧化）：鋁（氧化）：0.33 n鋁（噴白漆）：鋁（噴白漆）：0.94 n鋁（噴黑漆）：鋁（噴黑漆）：0.94 n鐵（磨光）：鐵（磨光）：0.140.38 n鐵（噴黑漆）：鐵（噴黑漆）

16、：0.8 2021/3/1033 對流散熱 n1、自然對流 TAhQ c hc-對流散熱系數(shù) 1、垂直平板； 2、水平平板； 3、小間隙； 4、渦流。 Ah R c 1 2021/3/1034 對流散熱 n2、強制風冷 AP TCFQ F-空氣流量（cm3/s）；與風速有關(guān) -空氣密度（g/cm3）； CP-空氣比熱。 2021/3/1035 對流散熱 n3、強制水冷 AP TCFQ F-水流量（cm3/s）；與水速有關(guān) -水密度（g/cm3）； CP-水比熱。 相同體積下相同體積下,水帶走的熱量是風的水帶走的熱量是風的28倍倍 2021/3/1036 安裝方式 n回路布局 n功率電阻 n電解

17、電容 n變壓器和線圈 n功率半導(dǎo)體（安裝力矩） n大電流導(dǎo)線 2021/3/1037 電子元器件的降額處理 n電子元器件失效取決于電應(yīng)力和溫度！ n電阻：降功率； n電容：降電壓； n半導(dǎo)體：降功耗。 2021/3/1038 電阻： n30秒平均功率不超過額定的50%； n電壓不超過額定的80%； n對線繞電阻： 30秒平均功率不超過額定 的30%； n不低于額定的10%； 2021/3/1039 電容： n紙、薄膜、云母：60%； n玻璃釉、瓷介：50%； n固體鉭電容：45%； n液體鉭電容：70%.； n鋁電解：60%70% 2021/3/1040 IRFP450的降額曲線 2021/3

18、/1041 瞬態(tài)熱阻抗 r(tp) tp(s) RtrZ p )( Where Z為瞬態(tài)熱阻, R為穩(wěn)態(tài)熱阻 2021/3/1042 Waveform of Junction Temperature Rise (T A = Reference Temp.) Load ConditionWaveform of Power Loss at Junction Continuos Load Single Load Pulse Short train of Load pulse (Equal amplitude) 負載電流形式與結(jié)溫關(guān)系 2021/3/1043 Waveform of Junction Temperature Rise (T A = Ref