开关电源的可靠性热设计

文章摘要：从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在时,就必然发生热从高温处传递到低温处,这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象.而热传递的方式有三种:辐射、对流、传导,其中以热传导为最快.我们要讨论的风冷散热,实际上就是强制对流散热.对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热导热介质,再由介质传至散热片基部,由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流,将热量散发到空气中.风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程.对流换热即受导热规律的支配,又受流体流动规律的支配,属于一种复杂

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从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在时,就必然发生热从高温处传递到低温处,这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象.而热传递的方式有三种:辐射、对流、传导,其中以热传导为最快.我们要讨论的风冷散热,实际上就是强制对流散热.
对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热导热介质,再由介质传至散热片基部,由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流,将热量散发到空气中.风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程.
对流换热即受导热规律的支配,又受流体流动规律的支配,属于一种复杂的传热过程,表现在对流换热的影响因素比较多.
1)按流体产生流动的原因不同,可分为自然对流和强制对流.
2)按流动性质来区分,有层流和紊流之别.流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果.一般以雷诺数(Re)的大小,作为层流或紊流的判断依据.
3)流体的物性对对流换热的影响.例如,粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等,它们随流体不同而不同,随温度变化而变化,从而改变对流换热的效果.
4)换热表面的几何条件对对流换热的影响.其中包括:
a管道中的进口、出口段的长度,形状以及流道本身的长度等;
b物体表面的几何形状,尺寸大小等;
c物体表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
d物体表面的位置(平放、侧放、垂直放置等)以及流动空间的大小.
5)流体物态改变的影响.
6)换热面的边界条件,如恒热流、恒壁温等,也会影响对流换热.
7)风量和温度的关系
T＝Ta+1.76P/Q
式中
Ta-环境温度,℃
P-整机功率,W
Q-风扇的风量,CFM
T-机箱内的温度,℃
举一个电路设计中热阻的计算的例子:
设计要求:芯片功耗:20瓦,芯片表面不能超过的最高温度:85℃,环境温度(最高):55℃计算所需散热器的热阻.
实际散热器与芯片之间的热阻很小,取0.1℃/W作为近似.
则 (R+0.1)×20W=85℃-55℃
得到 R=1.4℃/W
只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃.
使用风扇能带走散热器表面大量的热量,降低散热器与空气的温差,使散热器与空气之间的热阻减小.因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示.如下例:
风速(英尺/秒)热阻(℃/W)
03.5
1002.8
2002.3
3002.0
4001.8
功率元件的散热方式是关键.开关电源一般采用空气冷却或者水冷.在功率较小时,采用空气冷却就能够满足要求.在功率较大时,则需要在散热器中通水,利用水流带走热量,因为散热器一般都有不同的电位,所以必须采用绝缘强度较好的水,一般采用纯净水,它比普通蒸馏水的离子含量还要低.在水路的循环系统中,一般还要加离子树脂交换器,因为散热器上的金属离子会不断的溶解到水中,这些离子需要被吸附清除.
应该说,从散热的角度来说,水冷是非常理想的.但是,水循环系统工艺要求高,安装复杂,维护工作量大,而且一旦漏水,会带来安全隐患.所以,能够用空气冷却解决问题的场合,就不要采用水冷.
空气冷却能够从设备中带出来的热量,与有效散热面积的大小有关系,散热面积越大,能够带走的热量就越多.元器件的数目越多,散热的面积就越大,空气冷却的效果就越好.
电力电子元件的热量按照如下方式传导:沿散热器表面散开,再沿表面传递到散热片上,被空气带走.沿散热器表面散开的面积是非常有限的,离开元件较远处,已经基本感受不到热量,所以把散热器表面做大到一定程度,对散热效果的增加已经没有意义.对于散热器的齿片也是一样,齿根处温度较高,齿尖处只有很少的热量到达,所以增高齿片到一定程度,对散热也毫无用处.
所以,要解决大功率产品的空气冷却问题,唯一有效的办法是,利用很多的元器件,均摊热量,增大有效的散热面积.
当然,采用功耗较小的新一代元器件,或者采用热阻较小的新式散热器,也可以使空气冷却的电源功率更大.
关于电源散热的另外一个问题是,把热量从电源内部带出来以后,如何耗散在大气中.对于水冷装置,需要在室外安装一个水-空冷装置,把热水变成凉水.对于空气冷却的装置,如果散热量较大,需要安装风道,把热空气直接排出室外,否则,热空气会在室内聚集,造成室温升高.以前有的用户考虑用室内空调机降温,事实证明在大功率电源应用中,需要较大的空调配置,是不经济的.

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