開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)討論(共7頁(yè))

1、開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)討論借本論題探討熱設(shè)計(jì)的方法及可靠性設(shè)計(jì) 先開個(gè)頭：散熱設(shè)計(jì)的一些基本原則 從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則： ·對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路（或其它器件）按縱長(zhǎng)方式排列，如圖3示；對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路（或其它器件）按橫長(zhǎng)方式排列。 ·同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件（如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等）放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件（如

2、功率晶體管、大規(guī)模集成電路等）放在冷卻氣流最下游。 ·在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響。 ·對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局。 ·設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，合理配置器件或印制電路板。空氣流動(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng)，所以在印制電路板上配置器件時(shí)，要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置

3、也應(yīng)注意同樣的問題。電子設(shè)備散熱的重要性 在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天。如何保證電子設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，一直困擾著工程師們。造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多，但是高溫是其中最重要的因素（其它因素重要性依次是振動(dòng)Vibration、潮濕Humidity、灰塵Dust），溫度對(duì)電子設(shè)備的影響高達(dá)60。 溫度和故障率的關(guān)系是成正比的，可以用下式來表示： F = Ae-E/KT 其中： F = 故障率, A=常數(shù) E = 功率 K =玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K) T = 結(jié)點(diǎn)溫度隨著芯片的集成度、功率密度的日愈提高，芯片的溫度越來越成為系統(tǒng)穩(wěn)定工作、性能提升的絆腳石。作為一個(gè)合格的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人

4、員，除了成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能之外，還必須充分考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、工作壽命，環(huán)境適應(yīng)能力等等。而這些都和溫度有著直接或間接的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示，45%的電子產(chǎn)品損壞是由于溫度過高?？梢娚嵩O(shè)計(jì)的重要性。     如何對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，首先我們可以從芯片廠家提供的芯片Datasheet為判斷的基礎(chǔ)依。如何理解Datasheet的相關(guān)參數(shù)呢？下面將對(duì)Datasheet中常用的熱參數(shù)逐一說明。 一、 Datasheet中和散熱有關(guān)的幾個(gè)重要參數(shù)     P-芯片功耗，單位W（瓦）。功耗是熱量產(chǎn)生的直接原因。功耗大的芯片，發(fā)熱量也一

5、定大。     Tc-芯片殼體溫度，單位。     Tj-結(jié)點(diǎn)溫度，單位。隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降。結(jié)點(diǎn)溫度過高將導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定，系統(tǒng)死機(jī)，最終芯片燒毀。     Ta-環(huán)境溫度，單位。     Tstg-存儲(chǔ)溫度，單位。芯片的儲(chǔ)存溫度。     Rja/ja-結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，單位/W。     Rjc/jc-結(jié)點(diǎn)到芯片殼的熱阻，單位

6、/W     jt-可以理解為結(jié)點(diǎn)到芯片上表面的熱阻。當(dāng)芯片熱量只有部分通過上殼散出的時(shí)候的熱阻參數(shù)。     LFM-風(fēng)速單位，英尺/分鐘。提供最大Ta、Tj、P-早期的芯片Datasheet一般都是這種。理論上我們只需要保證芯片附近的環(huán)境溫度不超過這個(gè)指標(biāo)就可以保證芯片可以正常工作。但是實(shí)際并非如此。Ta這個(gè)參數(shù)是按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試而得。JEDEC標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：把芯片置于一塊3X4.5英寸的4層PCB中間，環(huán)境溫度測(cè)試探頭距離這塊PCB的板邊緣12英寸?？梢娢覀儺a(chǎn)品幾乎不可能滿足這種測(cè)試條件。因此，Ta

7、在這里對(duì)我們來說，沒什么意義。在這種情況下保守的做法是：保證芯片的殼體溫度TcTa-max，一般來說芯片是可以正常工作的。>br>     直接提供Tc-max-這種情況相對(duì)較少，處理也相對(duì)簡(jiǎn)單。只需保證TcTc-max即可。>br>     提供Tj、Rjc/jc、P-近2年來，隨著熱設(shè)計(jì)的重要性不斷提高，大部分的芯片資料都會(huì)提供上述參數(shù)?；竟饺缦拢?    Tj=Tc+Rjc*P     只要保證TjTj

8、-max即可保證芯片正常工作。     歸根結(jié)底，我們只要能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過芯片給定的最大值，芯片就可以正常工作。如何判斷芯片是否需要增加散熱措施     第一步：搜集芯片的散熱參數(shù)。主要有：P、Rja、Rjc、Tj等     第二步：計(jì)算Tc-max：Tc-max=Tj- Rjc*P     第三步：計(jì)算要達(dá)到目標(biāo)需要的Rca：Rca=（Tc-max-Ta）/P     第四步：計(jì)算芯片

9、本身的Rca：Rca=Rja-Rjc          如果Rca大于 Rca，說明不需要增加額外的散熱措施。          如果Rca小于Rca，說明需要增加額外的散熱措施。比如增加散熱器、增加風(fēng)扇等等。     如前所述，Rja不能用于準(zhǔn)確的計(jì)算芯片的溫度，所以這種方法只能用于簡(jiǎn)單的判斷。而不能用于最終的依據(jù)。下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：    例：某芯片功耗1.7W；Rja

10、53/W；Tj125；Rjc25/W，芯片工作的最大環(huán)境溫度是50。判斷該芯片是否需要加散熱器，散熱器熱阻是多少。     Tc-max=Tj- Rjc*P           =125-25/W*1.7W           =82.5     Rca=（Tc-max-Ta）/P    

11、       =（82.5-50）1.7           =19.12/W     Rca=Rja-Rjc           =53-25           =28/W  

12、   Rca小于Rca，所以需要增加散熱器。     散熱器的熱阻假設(shè)為Rs，則有：     Rs/Rca小于Rca     Rs*28/（Rs+28）小于19.12     Rs小于60.29/W     所以選用的散熱器熱阻必須小于60.29/W。上面僅是非常簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)然時(shí)間的情況要比這個(gè)復(fù)雜的多，需要通過仿真軟件計(jì)算來分析和計(jì)算。 在普通的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，我

13、們很少考慮到集成電路的散熱，因?yàn)榈退傩酒墓囊话愫苄。谡５淖匀簧釛l件下，芯片的溫升不會(huì)太大。隨著芯片速率的不斷提高，單個(gè)芯片的功耗也逐漸變大，例如：的奔騰的功耗可達(dá)到 25W。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時(shí)，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒砻鏌岬尼尫牛剐酒ぷ髟谡囟确秶畠?nèi)。     通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對(duì)流是借助流體的流動(dòng)傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒介，是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量。 在實(shí)際應(yīng)用中，散熱

14、的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時(shí)使用。散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加，同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能。風(fēng)扇的使用也分為兩種形式，一種是直接安裝在散熱器表面，另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上，提高整個(gè)空間的空氣流速。與電路計(jì)算中最基本的歐姆定律類似，散熱的計(jì)算有一個(gè)最基本的公式：                  

15、60;溫差 = 熱阻 × 功耗     在使用散熱器的情況下，散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻，散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降一樣。同樣，散熱器與芯片表面之間也會(huì)存在一定的熱阻。熱阻的單位為/W。選擇散熱器時(shí)，除了機(jī)械尺寸的考慮之外，最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強(qiáng)。風(fēng)冷散熱原理 從熱力學(xué)的角度來看，物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差

16、存在時(shí)，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處，這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現(xiàn)象。而熱傳遞的方式有三種：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中以熱傳導(dǎo)為最快。我們要討論的風(fēng)冷散熱，實(shí)際上就是強(qiáng)制對(duì)流散熱。     對(duì)流換熱是指流體與其相接觸的固體表面或流體，而這具有不同溫度時(shí)所發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移過程。熱源將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱導(dǎo)熱介質(zhì)，再由介質(zhì)傳至散熱片基部，由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對(duì)流，將熱量散發(fā)到空氣中。風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣，流出熱空氣，完成熱的散熱過程。     對(duì)流換熱即受導(dǎo)熱規(guī)律的

17、支配，又受流體流動(dòng)規(guī)律的支配，屬于一種復(fù)雜的傳熱過程，表現(xiàn)在對(duì)流換熱的影響因素比較多。 1按流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同，可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。 2按流動(dòng)性質(zhì)來區(qū)分，有層流和紊流之別。流體從層流過渡到紊流是由于流動(dòng)失去穩(wěn)定性的結(jié)果。一般以雷諾數(shù)（Re）的大小，作為層流或紊流的判斷依據(jù)。 3流體的物性對(duì)對(duì)流換熱的影響。例如，粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、導(dǎo)溫系數(shù)等等，它們隨流體不同而不同，隨溫度變化而變化，從而改變對(duì)流換熱的效果。 4換熱表面的幾何條件對(duì)對(duì)流換熱的影響。其中包括： 1)管道中的進(jìn)口、出口段的長(zhǎng)度，形狀以及流道本身的長(zhǎng)度等； 2)物體表面的幾何形狀，尺寸大小等； 3)物體表面，如管道壁

18、面、平板表面等的粗糙程度； 4)物體表面的位置（平放、側(cè)放、垂直放置等）以及流動(dòng)空間的大小。 5流體物態(tài)改變的影響。 6換熱面的邊界條件，如恒熱流、恒壁溫等，也會(huì)影響對(duì)流換熱。 7.風(fēng)量和溫度的關(guān)系 TTa1.76PQ 式中 Ta環(huán)境溫度， P整機(jī)功率，W Q風(fēng)扇的風(fēng)量，CFM T機(jī)箱內(nèi)的溫度，舉一個(gè)電路設(shè)計(jì)中熱阻的計(jì)算的例子：        設(shè)計(jì)要求： 芯片功耗： 20瓦        芯片表面不能超過的最高溫度： 85     &#

19、160;  環(huán)境溫度（最高）： 55 計(jì)算所需散熱器的熱阻。 實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取01/W作為近似。則       （R + 0.1）× 20W = 85 - 55         得到 R = 1.4 /W 只有當(dāng)選擇的散熱器的熱阻小于1.4/W時(shí)才能保證芯片表面溫度不會(huì)超過85。     使用風(fēng)扇能帶走散熱器表面大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。因

20、此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示。如下例： 風(fēng)速（英尺/秒） 熱阻（/W） 0 3.5 100 2.8 2002.3 300 2.0 400 1.8PCB表面貼裝電源器件的散熱設(shè)計(jì)   以Micrel公司表貼線性穩(wěn)壓器為例，介紹如何在僅使用一個(gè)印制電路板的銅鉑作為散熱器時(shí)是否可以正常工作。 1.系統(tǒng)要求: VOUT=5.0V；VIN(MAX)=9.0V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=700mA；運(yùn)行周期=100%；TA=50 根據(jù)上面的系統(tǒng)要求選擇750mA MIC2937A-5.0BU穩(wěn)壓器，其參數(shù)為： VOUT=5V±2%(過熱時(shí)的最壞情況) TJ

21、 MAX=125。采用TO-263封裝，JC=3/W； CS0/W(直接焊接在電路板上)。 2.初步計(jì)算： VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN)+IOUT+(VIN(MAX)×I)=9V-4.9V×700mA+(9V×15mA)=3W 溫度上升的最大值, T=TJ(MAX)-TA = 125-50=75；熱阻JA(最壞情況):T/PD=75/3.0W=25/W。 散熱器的熱阻, SA=JA-(JC+CS)；SA=25-(3+0)=22/W(最大)。 3.決定散熱器物理尺寸： 采用一個(gè)方形、單面、水平具

22、有阻焊層的銅箔散熱層與一個(gè)有黑色油性涂料覆蓋的散熱銅箔，并采用1.3米/秒的空氣散熱的方案相比較，后者的散熱效果最好。 采用實(shí)線方案，保守設(shè)計(jì)需要5,000mm2的散熱銅箔，即71mm×71mm(每邊長(zhǎng)2.8英寸)的正方形。 4.采用SO-8和SOT-223封裝的散熱要求： 在下面的條件下計(jì)算散熱面積大?。篤OUT=5.0V；VIN(MAX)=14V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=150mA；占空比=100%；TA=50。在允許的條件下，電路板生產(chǎn)設(shè)備更容易處理雙列式SO-8封裝的器件。SO-8能滿足這個(gè)要求嗎？采用MIC2951-03BM(SO-8封裝)，可以得到以下參數(shù)：

23、 TJ MAX=125；JC100/W。 5.計(jì)算采用SO-8封裝的參數(shù)： PD=14V-5V×150mA+(14V×8mA)=1.46W； 升高的溫度=125-50=75； 熱阻JA(最壞的情況): T/PD=75/1.46W=51.3/W； SA=51-100=-49/W(最大)。 顯然，在沒有致冷條件下，SO-8不能滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]采用SOT-223封裝的MIC5201-5.0BS調(diào)壓器，該封裝比SO-8小，但其三個(gè)引腳具有很好的散熱效果。選用MIC5201-3.3BS，其相關(guān)參數(shù)如下： TJ MAX=125 SOT-223的熱阻JC=15/W CS=0 /W(直接

24、焊在線路板上的) 。 6.計(jì)算采用SOT-223封裝的結(jié)果: PD=14V-4.9V×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W 上升溫度=125-50=75； 熱阻JA(最壞的情況): T/PD=75/1.4W=54/W； SA=54-15=39/W(最大)。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，參考圖1，采用1,400 mm2的散熱銅箔(邊長(zhǎng)1.5英寸的正方形)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 以上的設(shè)計(jì)結(jié)果可以作為粗略的參考，實(shí)際設(shè)計(jì)中需要了解電路板的熱特性，得出更準(zhǔn)確、滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)果。（Rcs是器件到散熱器的熱阻，由于是直接焊在PCB上，可視為零。 在PD等式中的15mA等是器件工作時(shí)所需的靜態(tài)

25、電流，你可以在DATASHEET查出。如：MIC2937A-5.0BU的regulator quiescent current在IL為750mA時(shí)的典型值為15mA）散熱器材料的選擇： 散熱片的制造材料是影響效能的重要因素，選擇時(shí)必須加以注意！目前加工散熱片所采用的金屬材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)： 金317 W/mK 銀          429 W/mK 鋁          401 W/m

26、K 鐵         237 W/mK 銅           48 W/mK    AA6061型鋁合金 155 W/mK    AA6063型鋁合金     201 W/mK        ADC12型鋁合金     

27、60; 96 W/mK    AA1070型鋁合金     226 W/mK    AA1050型鋁合金     209 W/mK    熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K1）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。     熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價(jià)格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低

28、，無法滿足高熱密度場(chǎng)合的性能需要，不適合用于制作計(jì)算機(jī)空冷散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在計(jì)算機(jī)相關(guān)散熱片中使用較少，但近兩年隨著對(duì)散熱設(shè)備性能要求的提高，越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，寄此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。 各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。上表中列出的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。風(fēng)扇的選擇: