開關電源的熱設計方法解析

　　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速、散熱器與周圍的溫度差有關。因此一般都會設法增強散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設計合理的散熱風道、增強散熱器表面的風速。散熱器的散熱面積設計值如下圖所示：

　　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影響到空氣的對流，熱空氣不易于流動也會降低散熱效果。自然風冷時散熱器的叉指間距應適當增大，選擇強制風冷則可適當減小叉指間距。如上圖所示：

　　⑤散熱器表面積計算

　　s=0.86w/(δt*α)　(m2)

　　δt: 散熱器溫度與周圍環境溫度（ta）的差（℃）

　　α： 熱傳導系數，是由空氣的物理性質及空氣流速決定。α由下式決定。

　　α=nu*λ/l ()

　　λ:熱電導率（kcal/m2h）空氣物理性質

　　l：散熱器高度（m）

　　nu：空氣流速系數。由下式決定。

　　nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

　　v：動粘性系數（m2/sec）,空氣物理性質。

　　v’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)

　　pr: 系數,見下表

　　2.2 散熱設計舉例

　　[例] 2scs5197在電路中消耗的功率為pdc=15w,工作環境溫度ta=60℃,求在正常工作時散熱器的面積應是多少?
　
　　解: 查2scs5197的產品目錄得知: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)/80P1.6℃/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) P6－(1.6+0.8)=3.6℃/w

　　根據上述計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計圖中可以查到: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：在實際運用中，tjmax必須降額使用，以80%額定節溫來代替tjmax確保功率管的可靠工作。

　　3、自然風冷與強制風冷

　　在開關電源的實際設計過程中，通常采用自然風冷與風扇強制風冷二種形式。自然風冷的散熱片安裝時應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通氣孔便于空氣的對流。

　　強制風冷是利用風扇強制空氣對流，所以在風道的設計上同樣應使散熱片的葉片軸向與風扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風效果越是散熱量大的器件越應靠近排氣風扇，在有排氣風扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：

　　4、金屬pcb

　　隨著開關電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運用到實際產品中，這時散熱片難于安裝到功率器件上。當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的散熱性遠好于傳統的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熱的環氧玻纖布粘結片或高導熱的環氧樹脂，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、發熱元件的布局

　　開關電源中主要發熱元件有大功率半導體及其散熱器，功率變換變壓器，大功率電阻。發熱元件的布局的基本要求是按發熱程度的大小，由小到大排列，發熱量越小的器件越要排在開關電源風道風向的上風處，發熱量越大的器件要越靠近排氣風扇。

　　為了提高生產效率，經常將多個功率器件固定在同一個大散熱器上，這時應盡量使散熱片靠近pcb的邊緣放置。但與開關電源的外殼或其它部件至少應留有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平行且與風道的風向平行。在垂直方向上則發熱小的器件排在最低層而發熱大的器件排在較高處。

　　發熱器件在pcb的布局上同時應盡可能遠離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。

　　6、結語

　　開關電源的熱設計應充分考慮產品所處的工 作環境及實際的工作狀態并將上述幾種方法綜合運用才能設計出既經濟又能充分保證半導體散熱的開關電源產品。