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五个要点详细阐述开关电源散热解决方案

点击:474 日期:2016-10-31 选择字号:
      大家都知道,开关电源工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平,将会影响开关电源的正常工作,严重时会损坏开关电源。为提高开关电源工作的可靠性,GLPOLY小编今天就跟大家分享下开关电源的几个具体的散热解决方案。
      开关电源已普遍运用在当前的各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地提高。高功率密度的定义从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3。为提高开关电源工作的可靠性,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。
      开关电源内部的温升过高,将会导致对温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时,失效率呈指数规律增加。有统计资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性就要下降10%;温升50℃时的寿命只有温升25°C时的1/6。除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。高频开关电源有大功率的发热器件,温度更是影响其可靠性的最重要的因素之一。
      一个完整的开关电源热设计包括两个方面:一是如何控制发热源的发热量;二是如何将发热源产生的热量散发出去,使开关电源的温升控制在允许的范围之内,以保证开关电源的可靠性。
一、控制发热量的设计
开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同的元器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一,减小它的发热量,不仅可以提高功率管的可靠性,而且还可以提高开关电源的可靠性,提高平均无故障时间(MTBF)。而开关管的发热量是由损耗引起的,开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成。因此,控制降低发热量可以有以下措施进行解决。
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1、减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗。
2、开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的,减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。
3、更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗,如采用软开关技术,可以大大减小这种损耗。
4、减小功率二极管的发热量,对交流整流及缓冲二极管,一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗,可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。
5、对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。
6、对于高频磁性材料引起的损耗,要尽量避免趋肤效应,对于趋肤效应造成的影响,可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。
 
二、开关电源的散热设计
为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑开关电源的散热设计: 散热器、冷却风扇、金属pcb、绝缘导热片等。在实际设计中需要针对客户以及产品本身的要求及最佳费效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。
1、半导体器件的散热器设计
由于半导体器件所产生的热量在开关电源中占主导地位,其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗。从电路拓扑方式上来讲,采用零开关变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可最大限度地减少开关损耗,但也无法彻底消除开关管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法。
 
电源开关半导体散热器选择的基本原则
(1)散热器选择的基本依据
电力半导体器件的散热器选择要综合根据器件的耗散功率、器件结壳热阻、接触热阻以及冷却介质温度来考虑。
(2)器件与散热器紧固力的要求
要使器件与散热器组装后有良好的热接触,必须具有合适的安装力或安装力矩,其值由器件制造厂或器件标准给出,组装时应严格遵守不要超出规定的范围。并且在实际的应用中通常会在器件与散热器之间添加一层导热介质材料提高其传热效率,降低两者间的热阻(如:GLPOLY导热硅胶片绝缘导热片都是应用在电源开关上不错的选择)。
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(3)散热器的额定冷却条件
自冷散热器:环境温度最好不高于40℃,安装时散热器翼片要垂直布置,上下端面不能有阻挡,以便散热器周围有良好的空气自然对流的环境和通道。
风冷散热器:进口空气温度控制在40℃以下,进口端风速最好达到6米/秒。
水冷散热器:进口水温不高于35℃。水流量要根据散热总热量需要和进出水设计温差决定。
(4)选用散热器的综合考虑
选用散热器应综合考虑散热器的散热能力范围、冷却方式、技术参数和结构特点,一种器件仅从技术参数看,可能有两、三种散热器均能满足要求,但应结合冷却、安装、通用互换和经济性综合考虑选取。
2、风扇自然风冷与强制风冷
在开关电源的实际设计过程中,通常采用自然风冷与风扇强制风冷二种形式。自然风冷的散热片安装时应使散热片的叶片竖直向上放置,若有可能则可在pcb上散热片安装位置的周围钻几个通气孔便于空气的对流。
强制风冷是利用风扇强制空气对流,所以在风道的设计上同样应使散热片的叶片轴向与风扇的抽气方向一致,为了有良好的通风效果越是散热量大的器件越应靠近排气风扇,在有排气风扇的情况下,散热片的热阻如下表所示:
4、金属PCB
随着开关电源的小型化,表面贴片元件广泛地运用到实际产品中,这时散热片难于安装到功率器件上。当前克服该问题主要采取金属PCB作为功率器件的载体,主要有铝基覆铜板、铁基覆铜板,金属PCB的散热性远好于传统的PCB且可以贴装smd元件。另有一种铜芯PCB,基板的中间层是铜板绝缘层采用高导热的环氧玻纤布粘结片或高导热的环氧树脂,它是可以双面贴装smd元件,大功率smd元件可以将smd自身的散热片直接焊接在金属PCB上,利用金属PCB中的金属板来散热。
5、发热元件的布局
开关电源中主要发热元件有大功率半导体及其散热器,功率变换变压器,大功率电阻。发热元件的布局的基本要求是按发热程度的大小,由小到大排列,发热量越小的器件越要排在开关电源风道风向的上风处,发热量越大的器件要越靠近排气风扇。
      为了提高生产效率,经常将多个功率器件固定在同一个大散热器上,这时应尽量使散热片靠近PCB的边缘放置。但与开关电源的外壳或其它部件至少应留有1cm以上的距离。若在一块电路板中有几块大的散热器则它们之间应平行且与风道的风向平行。在垂直方向上则发热小的器件排在最低层而发热大的器件排在较高处。发热器件在PCB的布局上同时应尽可能远离对温度敏感的元器件,如电解电容等。

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