開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)方法解析(2)

2011年11月17日 15:04 來源:本站整理 作者:秩名 我要評(píng)論(0)

  ④散熱器熱阻抗θf

  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表面積、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)值如下圖所示:

 

  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(duì)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。如上圖所示:

  ⑤散熱器表面積計(jì)算

  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

 


  2.2 散熱設(shè)計(jì)舉例

  [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。

  3、自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷

  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(duì)流。

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

 

  4、金屬pcb

  隨著開關(guān)電源的小型化,表面貼片元件廣泛地運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品中,這時(shí)散熱片難于安裝到功率器件上。當(dāng)前克服該問題主要采取金屬pcb作為功率器件的載體,主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板,金屬pcb的散熱性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的pcb且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯pcb,基板的中間層是銅板絕緣層采用高導(dǎo)熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂,它是可以雙面貼裝smd元件,大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬pcb上,利用金屬pcb中的金屬板來散熱。

  5、發(fā)熱元件的布局

  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(duì)溫度敏感的元器件,如電解電容等。

  6、結(jié)語

  開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品所處的工 作環(huán)境及實(shí)際的工作狀態(tài)并將上述幾種方法綜合運(yùn)用才能設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又能充分保證半導(dǎo)體散熱的開關(guān)電源產(chǎn)品。


 

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