开关电源的热设计【专业类别】

1、开关电源的热设计,1,散热设计,每超过室温10度，元器件的寿命将下降一半,2,效率,输入输出电压高，容易高效 额定功率大，容易高效 高效的变压器尺寸较大 中小功率范围内，效率很难超越95% 2W以下的功率等级，70%已经很高 CMOS好于TTL,3,散热途径,传导、对流、辐射。 高温 低温,热气上行,4,常用元器件的允许工作温度,5,热阻概念R,oC / W,热阻温度差/热源功率,串并联方法与电阻相同,6,7,(1)选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度。如选用耐热性能较好的硅三极管取代热性能较差的锗三极管、触点材料尽量以铂银取代铜。 (2)减小电源内部的发热量。为此，应

2、尽量选用小功率执行元件，如用晶体管代替真空管，选用小功率变压器或者不用变压器，多选用微功耗器件并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，选取热负荷时应留有适当的储备量。 (3)用冷却的方法降低环境温度加快散热速度。 在室温下，对热阻的要求不大于30W时, 可不考虑散热问题。 对热阻的要求在5W - 4W时, 可用叉指形散热器散热。 在4oCW一0.2oCW时，可用型材散热器。 在1W一0.05W时，可用强制风冷。 在0.1oCW一0.02oCW时，可用水冷。 当对热阻的要求低于0.02W时，可考虑用热管.,散热设计的要求,8,一般地，三极管的PC(max) 是在保持管壳温度Ta=25不变，Tj达

3、到150条件下确定的功耗值，因此可用下式 /W 求出R,越大，一定结温下Pcmax,9,常见封装外壳的热阻,不采用散热器时，功率封装只能耗散最大功率的5%以下，包括表面贴装时以PCB板散热的情况。,10,常见封装外壳的热阻(续),11,器件手册里的相关参数,12,传导散热,1、导热体传导(导热定律) K-热导率 A-截面积 L-导热路径长度,13,各种材料的热导率(W/cmC),14,传导散热,2、界面传导 hi-界面的热导系数 与光洁度、表面受压大小、填充材料有关,15,接触热阻( )参考数据,R(C-S),16,17,器件的热阻等效电路,结到外壳,外壳到空气,外壳到散热器,散热器到空气,1

4、8,常见散热片,平板式 燕翅式,注意放置方式,19,散热器的散热类型,20,热管的原理,热管(英文名：Heat Pipe 1963年美国LOS ALAMOS国家实验室G.M.GROVER在应用物理杂志命名),是一种导热性能力特别强的导热管元件，传热效率比同样材质的纯铜高出数千倍。,热管工作原理说明：热管管内的液体受热汽化；汽化了的饱和蒸汽向冷端流动；饱和蒸汽在冷端冷凝放出热量；冷凝液体回到热端继续吸热汽化。,21,热阻与散热器容积的关系, 自然对流和强迫风冷,发热量增大到两倍，散热器体积要增大到四倍,22,散热器(Heat Sink)热阻( )估算公式,R(S-a),式中, K为散热器热导率,

5、 d 和A 分别是HEAT SINK 的厚度和面积, 分别以cm 和cm2表示. C是修正因子. 此式在空气温度不超过45oC时成立.,23,散热器的选择方法,2. 最大外壳温度,3. 散热器热阻计算(R(C-S)+R(S-a) =R(C-a),24,器件损耗功率(Pd)的一般计算,通态功耗 PON,断态损耗 POFF 一般忽略 驱动损耗 PGATE 根据不同器件确定 吸收回路的损耗 根据具体的吸收回路及其参数而定,MOSFET 、IGBT等压控器件的驱动损耗要小于电流型驱动器件,25,Vgs,开通损耗,26,关断损耗,27,散热器的选择实例,一DC/DC电源的功率晶体管, 其工作电流20A,

6、 电压100V, 开关频率fS为10kHz, 占空比Dy为0.5, R(j-c)为0.5oC/W, 通态管压降为1V, 开和关的时间为1s和2 s, 环境温度25oC时, 管的结温不超过155oC, 直接安装在无硅油的散热器上, 要求选配合适的散热器.,28,散热器的选择实例(续),29,散热器的选择的注意点,1. 在保证散热要求的前提下,尽量选用体积小、重量轻的散热器。 2. 安装时,尽量增大器件和散热器的接触面积和压力，用硅脂涂在接触面上。注意安装的方式和方向。 3. 散热器表面应粗糙，但与器件接触面要有好的光洁度，涂黑。 4. 管子与机壳绝缘时，应使散热器与机壳绝缘，不仅采用电绝缘片。

7、5. 密封情况下，要注意没有对流。 6. 风冷时的风道设计。,30,辐射散热,T1-高温物体温度 T2-低温物体温度 e-辐射率（无量纲） f-视野系数（无量纲） A-高温物体表面积 -斯特凡一玻尔兹曼常数,31,几种材料的辐射率（100C）,铝（工业薄板）：0.09 铝（氧化）：0.33 铝（喷白漆）：0.94 铝（喷黑漆）：0.94 铁（磨光）：0.140.38 铁（喷黑漆）：0.8,32,对流散热,1、自然对流,hc-对流散热系数,1、垂直平板； 2、水平平板； 3、小间隙； 4、涡流。,33,对流散热,2、强制风冷,F-空气流量（cm3/s）；与风速有关 -空气密度（g/cm3）； C

8、P-空气比热。,34,对流散热,3、强制水冷,F-水流量（cm3/s）；与水速有关 -水密度（g/cm3）； CP-水比热。 相同体积下,水带走的热量是风的28倍,35,安装方式,回路布局 功率电阻 电解电容 变压器和线圈 功率半导体（安装力矩） 大电流导线,36,电子元器件的降额处理,电子元器件失效取决于电应力和温度！ 电阻：降功率； 电容：降电压； 半导体：降功耗。,37,电阻：,30秒平均功率不超过额定的50%； 电压不超过额定的80%； 对线绕电阻： 30秒平均功率不超过额定的30%； 不低于额定的10%；,38,电容：,纸、薄膜、云母：60%； 玻璃釉、瓷介：50%； 固体钽电容：45%； 液体钽电容：70%.； 铝电解：60%70%,39,IRFP450的降额曲线,40,瞬态热阻抗,r(tp),tp(s),Where Z为瞬态热阻, R为稳态热阻,41,Waveform of Junction Temp