引言
随着电源产业的迅速发展,开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度方向迈进。这些发展趋势都对电源系统的散热提出了更高的要求。高频化和高功率密度化必然导致电子元器件,尤其是开关电源中的功率器件产生更多的热量。若热量不及时排除,将引起电子电路板的热流密度过高,影响电路的可靠性和寿命。电源电路内部的温升超过极限值时,将导致元器件失效。国外统计资料表明,电子元器件的温度每升高2℃,可靠性下降10%,温升为50℃时,寿命只有25℃时的1/6。目前,电源电路的可靠性热设计和热评估工作在设计过程中尚属薄弱环节,大部分设计人员仍停留在依靠整机环境试验过关的状况。虽然对电路进行了一定的热设计,并实施了一定的热控制措施,但未对其热设计的效果进行有效的评估,致使电源内部个别过热部件隐藏的故障隐患未能发现和排除,直接影响到整个电源的质量和可靠性。因此,电源设计师必须对热设计进行深入的分析和研究,才能更好地解决产品设计中面临的问题。
1散热有三种基本方式
（1）热传导:靠物体直接接触或物体内部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。（2）对流换热:热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，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：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A为与流体接触的壁面面积[m2]，α为对流换热系数，θ1为壁面温度[K]，θ2为流体平均温度[K]。（3）热辐射:由于温差引起的电磁波传播称为热辐射。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Φ，决定于物体的性质、表面状况（如颜色、粗糙度等）、表面积大小及表面温度等。物体表面颜色越深，越粗糙，辐射能力越强。
2开关电源热设计
2.1散热器设计
普通电子设备中集成电路芯片的功耗都不大，在自然空气对流散热条件下温升不会很高（结点温度Tj＜允许最高工作温度Ta-max），所以一般对芯片的散热采用的是主动散热策略。开关电源中功率器件多、功率大，特别是大功率开关电源尤为突出，自然条件下依靠空气对流主动散热不能将芯片结温控制在工作指标时（结点温度Tj＞允许最高工作温度Ta-max），就必须采用相对应的散热措施来加快器件内部热量的释放速度，将器件温升控制在允许的工作温度范围之内。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆可先采用在发热器件上安装散热器增大与空气接触表面积的办法控制温升，我们把散热器向空气之释放热量把遇到的“阻力”称之为热阻，芯片内的热量经由散热器向周围空气释放时因有热阻的存在，散热器和空气之间必然会产生一定的温差，所以热阻越大散热越慢，同理散热器和芯片表面也会存在着一定的热阻。故在散热器选配时不光要考虑表面面积、机械尺寸，散热器的热阻是更重要的技术参数，散热器热阻越小其热传导越快散热能力亦越强。现以一个开关电源中40W功率器件最高工作温度为90℃、工作环境温度50℃、散热器与芯片表面热阻取0.1℃/W，计算散热器热阻为例，由热阻公式可得：（R+0.1）*40W=90℃-50℃可得R=0.9℃/W，即要保证芯片温升控制在90℃以下所选配的散热器的热阻必须小于0.9℃/W，但实际情况要比这个复杂的多，需要通过仿真软件来分析和计算。
2.2开关电源电路的热设计流程
1)分析电源电路的布局结构,确定主要发热单元;根据电路理论中的相关公式,求得各发热单元的理论损耗值。2)分析电源电路对应的热路,确定传热途径,绘出等效的热模型。根据热设计理论,计算各个元器件的热阻值;根据热路图建立热平衡方程式,分析温度场分布特性,解出各节点的温度值;根据热路模型与电气模型的对应关系,确立电气模型。3)建立该电路的3D热模型。利用专业热仿真软件(如Flotherm、ANSYS等),根据流体力学和数值传热学原理,采用有限元体积法,对建立的模型进行数值计算;根据计算结果,得出最佳方案。4)模型或样机试验分析。
2.3风冷设计
当受客观条件限制或安装散热器亦不能保证散热效果的情况下，为保证设备正常工作须采用主动散热措施，如安装风冷风扇强制加快散热。从热力学角度来看物体间只要有温差存在就会发生热量从高温处向低温处传递，故吸、放热是相对的，而热传递的三种方式中以热传导为最快，为了获得更高效的散热效果通常将传导和对流两种散热方式同时使用，即散热器和风冷风扇一起使用。散热器材质多为铝、铜等带有多鳍片的热的良导体，充分扩展的表面积使热辐射面积大大增加，芯片内热能通过芯片表面和散热器的紧密接触传导到散热器表面，由于鳍片的存在增大了散热表面积，风扇吹风形成的快速流动的空气分子流过鳍片将热量散发到空气中，进行强制对流带走芯片热量。风冷即由风扇形成的快速流动的冷空气不停吹向散热器鳍片带走热量并从排风口排出热空气的过程，风冷风扇的使用形式可根据实际情况，可以将风扇直接安装在散热器表面对某一发热器件风冷散热，也可根据机箱或机架的风路设计安装在机箱或机架出风口处加快整个箱内空间的空气流速强制对流散热，以上两种方法也可同时使用。风冷对流散热过程中受导热规律、流体运动规律的支配是一种比较复杂的传热散热过程，影响的因素也比较多，但总的来讲风量与温度成反比，风量越大带走的热量越多，散热效果越好。风量由风扇运动产生，风扇是风冷散热器中的核心部件，也是散热器中唯一运动的部件，一旦风扇自身产生故障将会使整个散热器丧失大部分的散热功能，导致系统工作的不稳定甚至烧毁设备，由于风扇是运动部件，其工作时的噪音、振动更对设备的工作噪音、稳定性有着决定性的影响，采用轴承技术可大幅降低风扇的噪音，通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面综合考虑风扇的选配。
结语
开关电源在研制过程中，做好热设计是提高产品可靠性必不可少的方法。对电源应该从元器件、电路板及环境三个层次进行热设计。对于不同功率的电源，要合理利用自然冷却和强迫风冷。应注意到要改善电源内部的电子元器件向机壳的传热能力和提高机壳向外界的热传递能力，切实有效的提高开关电源的可靠性。
参考文献
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[2]聂磊,石宝松.绝缘导热有机硅材料在开关电源灌封中的应用[J].电子工艺技术,2016,37(03):160-162.
论文作者:陈银利
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
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