以博大電源模塊為例詳解模塊電源散熱

電源模塊在運行過程中，由于模塊內部將產生功率消耗，而且以熱量的形式產生，若不將這些熱量發散出去，將會聚積在模塊內部，使得溫度過高，進而可能促使功率器件超過額定的溫度極限；輕則縮短模塊電源使用壽命，重則損壞模塊。所以散熱設計對于電源模塊來說至關重要。一般額定操作溫度的定義，均是以外殼溫度或指定之熱點為溫度量測基準，如下圖的紅點所示。

以將基準溫度降低至額定范圍內為散熱設計之目標。一般而言，電源模塊最大可操作的外殼溫度極限，依不同設計，多設定在100℃~110℃左右。

1、外殼溫度估算

在一般應用中，通常采用實際測量來得出實際外殼溫度。但在部份情況下，實際測量無法實現；此時則可通過估算的方式得出大概的外殼溫度。

下面就通過博大科技電源模塊的實際范例，介紹電源模塊外殼溫度估算的步驟，以避免模塊工作超過最高外殼工作溫度。

估算步驟如下：

STEP 1 --- 確定電源模塊最大的操作環境溫度(Ta)

STEP 2 --- 估算最大輸出功率(Po)

估算實際應用時，所需的最大輸出功率Po。如果是多路輸出，則指多路輸出的總輸出功率。計算方程式為

STEP 3 --- 確定轉換效率(η)

一般模塊只提供額定輸入電壓在滿負載輸出功率及25℃環境溫度下的效率值，實際上在不同的負載情況或輸入電壓時，以及不同的操作環境溫度，效率會發生一些改變，博大科技電源模塊在規格書內都已提供上述的效率曲線圖，可依照實際的條件，查詢轉換效率。

STEP 4 --- 確定外殼對環境的熱阻(θca)

熱阻定義為單位消耗功率所產生的上升溫度，通常以℃/W表示。

STEP 5 --- 估算電源模塊本身所產生之消耗功率(Pd)。

方程式如下：

STEP 6 --- 估算電源模塊外殼的工作溫度（Tc）。

方程式如下：

STEP 7 --- 確認上述外殼工作溫度應在最高工作溫度以下。

實例詳解

以博大科技40W電源模塊 FEC40-48S05（輸出電壓：5V,滿載電流：8.0A）為例為大家介紹一下如何估算電源模塊外殼溫度。

假設實際操作條件如下：

-- 最大操作環境溫度(Ta)為50℃

-- 輸入電壓(Vin)為48V時

-- 輸出電壓(Vout)為5V時

-- 實際負載電流(Iout)為6.4A。(6.4A / 8.0A = 80%滿負載)

-- 實際輸出功率(Po)為5Vout * 6.4A = 32W

依規格書所提供的輸出負載及輸入電壓對效率的曲線圖可查出，在Vin=48V，Iout=80%滿負載時的轉換效率η=92%

由規格書中可以查詢到，在不加散熱片及無強制氣流的情況下

θca = 9.2 (℃/W)

計算電源模塊之消耗功率：

計算電源模塊外殼溫度：

結論：

在此操作條件下，外殼溫度（Tc）約為75.6℃，低于額定溫度100℃，故符合工作溫度和設計使用要求。

2、散熱設計

如果上述的估算已經超過外殼最大工作溫度，則必須增加散熱的設計。

由估算外殻溫度的方程式 可知，Ta及Pd是系統操作時的條件，可視為定值，故要降低外殼溫度，需要由降低外殼到環境的熱阻(θca)著手，θca也是散熱設計中最重要的因子。

在博大科技電源產品的規格書內，都有提供在多種散熱條件下，模塊到環境的熱阻值。這個熱阻值是在恒溫、恒濕及可控風速的標準實驗設備里直接測得，非常具有參考價值。具體標準測量方法如下圖：

3、散熱方法

在系統沒有任何散熱設計的情況下，應該確保頂部和底部保留足夠的氣流信道，使模塊在運作產生熱能時，與環境空氣因溫度差而產生自然對流冷卻。

在氣流信道不完善的情況下，導致模塊殼溫過高時，可以通過以下的方式，做為散熱設計。

□ 增加散熱片

散熱片的主要作用，是增加熱源對環境空氣之間的接觸面積，在有適當空氣對流的情況下(包含自然對流)，可明顯的降低熱阻θca。

散熱片與電源模塊外殼在直接接合時，因為外殼與散熱片都是堅硬的材質，并無法確保完全密合平整，多少會產生一些縫隙，這將會增加熱阻；所以電源模塊在組配散熱片時需使用導熱的表面材料，如導熱硅脂(Thermal compound)、導熱硅膠片(Thermal Pad)等，來確保外殼與散熱片的緊密結合及減少縫隙；組裝結構示意圖如下所示。

組配后的熱阻θca為θcp、θph、θha的總和；因為空氣在不流動的情況下熱阻極大，故與空氣接觸的θha為最主要的熱阻。

使用散熱片可以大幅度降低θha的方式，但若θcp、θph不佳，也會影響到總熱阻θca，這也是為什么需要使用具有良好導熱性及填縫效果之Thermal Pad的原因。

最好的散熱片擺放方式，是散熱片的鰭片上下垂直于空氣中，形成良好的”煙囪效應”，如此才能擁有最好的自然對流效果；在無強制氣流輔助散熱的情況下，尤其重要。

博大科技原廠可以提供不同熱阻、樣式的散熱片，具體情況可以咨詢博大科技電源產品代理商深圳市中電華星電子技術有限公司。

□ 強制氣流

一般使用風扇來產生強制氣流，藉由空氣快速的流動，將熱能量由外殼表面帶走，這是減少模塊熱阻θca的有效方法，尤其在開放式的模塊(Open Frame Module)中，常使用此方式散熱；氣流的定義通常采用線性英尺每分鐘（LFM）或立方英尺每分鐘（CFM）(CFM = LFM * Area)；以LFM為主。

風速愈大，熱阻愈小，則散熱效果愈佳；使用時需留意風向避免與模塊腳框（frame）垂直，這樣會降低散熱效果。

若系統中同時使用散熱片及強制氣流，則氣流與散熱片方向的搭配方式，應如左下圖所示，方可得到最佳的散熱效果；而如右下圖所示的方式是錯誤的，氣流不順暢，散熱效果不佳。

博大科技公司電源模塊都可以提供各模塊對應各風速的熱阻。具體情況可以咨詢博大科技電源代理商深圳中電華星電子技術有限公司。

□ 電源模塊與機架外殼連接

使用電源模塊之系統，若系統設計有金屬外殼（chassis）或機架，則可利用此機架外殼當成散熱片，將熱能量疏導到機架外殼上；但需留意機架外殼與模塊之間是否密合，密合程度愈高，則導熱及散熱效果愈好；若機架外殼表面不甚平整，則必要時可選擇較厚或較柔軟的導熱硅膠片，將接合縫隙填滿，產生最佳的組配結合。

依照中電華星多年來對模塊電源的研究和使用經驗，最后需要強調兩點：

一是如果模塊要求的最高殼溫不能超過某個溫度值，那么模塊最安全、最穩定、最高效的運行殼溫應為該溫度值的70%或以下，例如一個模塊標稱的最高殼溫為100℃，那么經過冷卻設計最好的運行殼溫應為70℃。