開關電源的可靠性熱設計
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8 風扇的選擇
風扇是風冷散熱器中必不可少的組成部分,對散熱效果起著至關重要的作用,是散熱器中唯一的主動部件;同時,更對散熱器的工作噪音有著決定性的影響.風扇在散熱中的職責為:憑借自身的導流作用,令空氣以一定的速度、一定的方式通過散熱片,利用空氣與散熱片之間的熱交換帶走其上堆積的熱量,從而實現“強制對流”的散熱方式.
散熱片即使結構再復雜,也只是一個被動的熱交換體;因此,一款風冷散熱器能否正常“工作”,幾乎完全取決于風扇的工作狀態.在不改變散熱器結構與其它組成部分的情況下,僅僅是更換更加合適、強勁的風扇,也可以令散熱效果獲得大幅度的提升;反之,如果風扇搭配不合適或不夠強勁,則會使風冷散熱器效能大打折扣,令散熱片與整體設計上的優點被埋沒于無形;更有甚者,由于風扇是風冷散熱器中唯一確實“工作”的部分,它本身的故障也就會導致散熱器整體的故障,令其喪失大部分的散熱性能,進而引起系統的不穩定或當機,甚至因高溫而燒毀設備.
風扇可分為:含油軸承、單滾珠軸承、雙滾珠軸承、液壓軸承、來福軸承、Hypro軸承、磁懸浮軸承、納米陶瓷軸承等,下面是其性能比較表由表中可以看出,軸承技術對風扇的性能、噪音、壽命起著重要的決定性作用,實際選購風扇時必須加以注意.通常可根據性能、噪音、壽命以及價格四方面要求綜合考慮:
1.性能不高,噪音小,價格低,含油軸承是唯一的選擇,但壽命較短,使用一段時間后噪音可能會逐漸增大,需做好維護或更換的心理準備.
2.性能強悍,壽命長,價格不高,滾珠軸承是不二之選,但需忍受其工作時產生的較大噪音.
3.性能與噪音都沒有特殊要求,但希望壽命長,價格不高,來福、Hypro軸承等含油軸承的改進型均是值得考慮的選擇.
4.性能好,噪音低,壽命長,如此便不能對價格提出進一步的要求了,只要資金充足,液壓、精密陶瓷等特色軸承技術都可列入選擇范圍之內.
5.對靜音與壽命要求極高,磁懸浮軸承是僅有的選擇,只是性能不佳,價格過高.
目前,AC/DC系列風扇品牌包括SUNON、ADDA、SANYO、PAPST、NMB和Nidec等.如下圖:
9 鋁合金型材電子散熱器的應用
9．1散熱器的熱阻模型
由于散熱器是開關電源的重要部件,它的散熱效率高與低關系到開關電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導率比鋁高2倍但其價格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如下圖所示:
半導體結溫公式如下式如示:
Pcmax(Ta)= (Tjmax-Ta)/θj-a (W) -----------------------(1)
Pcmax(Tc)= (Tjmax-Tc)/θj-c (W) -----------------------(2)
Pc: 功率管工作時損耗
Pc(max): 功率管的額定最大損耗
Tj: 功率管節溫
Tjmax: 功率管最大容許節溫
Ta: 環境溫度
Tc: 預定的工作環境溫度
θs : 絕緣墊熱阻抗
θc : 接觸熱阻抗(半導體和散熱器的接觸部分)
θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)
θi : 內部熱阻抗(PN結接合部與外殼封裝)
θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)
根據圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:
θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
又因為θb比θs +θc+θf大很多,故可近似為:
θj-a=θi+θs +θc+θf --------------------------------------------- (4)
①PN結與外部封裝間的熱阻抗(又叫內部熱阻抗) θi是由半導體PN結構造、所用材料、外部封裝內的填充物直接相關.每種半導體都有自身固有的熱阻抗.
②接觸熱阻抗θc是由半導體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會對它產生影響.當接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時就會增大接觸熱阻抗θc.在半導體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積,排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導熱性,可以大大降低接觸熱阻抗θc.
9．2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.如下圖所示:
⑤散熱器表面積計算:
S=0.86W/(ΔT*α)
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
9．3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.
散熱片的制造材料是影響效能的重要因素,選擇時必須加以注意.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系數:
金317 W/mKAA6061型鋁合金155 W/mK
銀429 W/mKAA6063型鋁合金201 W/mK
鋁 237 W/mKADC12型鋁合金96 W/mK
鐵48 W/mKAA1070型鋁合金226 W/mK
銅401 W/mKAA1050型鋁合金209 W/mK
材料的導熱性能
之一:熱傳導系數
由于熱傳導是散熱器有效運作的兩大方式之一,因此,散熱片材料的熱傳遞速度就是其中最關鍵的技術指標,理論上稱作熱傳導系數.
定義:每單位長度、每度K,可以傳送多少瓦數的能量,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(1K＝1℃)時的熱傳導功率.數值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快.
熱傳導系數自然是越高越好,但同時還需要兼顧到材料的機械性能與價格.熱傳導系數很高的金、銀,由于質地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采用;鐵則由于熱傳導率過低,無法滿足高熱密度場合的性能需要,不適合用于制作計算機空冷散熱片.銅的熱傳導系數同樣很高,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,在電源相關散熱片中使用較少,但近兩年隨著對散熱設備性能要求的提高,越來越多的散熱器產品部分甚至全部采用了銅質材料.鋁作為地殼中含量最高的金屬,因熱傳導系數較高、密度小、價格低而受到青睞.但由于純鋁硬度較小,在各種應用領域中通常會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.
之二:比熱容
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