开关电源的可靠性热设计

文章摘要：icepak是美国fluent公司通过集成ICEM CFD公司的网格划分及后处理技术而开发成功的针对电子设备冷却分析的专用热设计软件,具有以下优点:1)建模能力:除了有矩形,圆形建摸外,还有多种复杂形状模型,如椭球体,多面体,管道及斜坡等模型有thin-conduction模型 ;2)网格技术:有结构化,非结构化网格;有四面体,有四面体六面体混合网格;能够对复杂模型快速生成高质量网格;支持结构化和非结构化的non-conformal网格;3)求解器;FLUENT求解器能够求解多种流体介质问题;能够求解结构化,非结构化网格问题,支持网格并行. 3散热设计的一些基本原则开关电源热设计的基本程序是

开关电源的可靠性热设计,标签：电源电路,电路设计,http://www.88dzw.com
icepak是美国fluent公司通过集成ICEM  CFD公司的网格划分及后处理技术而开发成功的针对电子设备冷却分析的专用热设计软件,具有以下优点:
1)建模能力:除了有矩形,圆形建摸外,还有多种复杂形状模型,如椭球体,多面体,管道及斜坡等模型有thin-conduction模型 ;
2)网格技术:有结构化,非结构化网格;有四面体,有四面体六面体混合网格;能够对复杂模型快速生成高质量网格;支持结构化和非结构化的non-conformal网格;
3)求解器;FLUENT求解器能够求解多种流体介质问题;能够求解结构化,非结构化网格问题,支持网格并行.
3散热设计的一些基本原则
开关电源热设计的基本程序是:
    1)首先明确设计条件,如电源的功耗、发热量、容许温升、设备外形尺寸、设备放置的环境条件等;
    2)决定电源的冷却方式,并检查是否满足温度条件;
    3)分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计;
4)按热设计检查表进行检查,确定是否满足设计要求.
4 印制电路板版的热设计
从有利于散热的角度出发,印制板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则:
1)对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列.
2)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游.
3)在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响.
4)对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局.
5)电源内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板.空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题.
5 电子芯片的热设计
如何对产品进行热设计,首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础.下面将对Datasheet中和散热有关的几个重要参数进行说明.
P—芯片功耗,单位W(瓦).功耗是热量产生的直接原因.功耗大的芯片,发热量也一定大.
Tc—芯片壳体温度,单位℃.
Tj—结点温度,单位℃.随着结点温度的提高,半导体器件性能将会下降.结点温度过高将导致芯片工作不稳定,系统死机,最终芯片烧毁.
Ta—环境温度,单位℃.
Tstg—存储温度,单位℃.芯片的储存温度.
Rja—结点到环境的热阻,单位℃/W.
Rjc—结点到芯片壳的热阻,单位℃/W
Ψjt--可以理解为结点到芯片上表面的热阻.当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数.
LFM--风速单位,英尺/分钟.
由于IC封装使测量无法接触到结点,因此直接测量IC结温比较困难.作为一种替代方法,可以利用结到外壳的热阻( JC)和外壳到外部环境的热阻( CA)计算结温,如图1所示.在确定IC的结温时,热阻是最重要的参数: JA =  JC +  CA.

图1. 利用热阻计算IC结温的热状态电模型
随着热设计的重要性不断提高,大部分的芯片资料都会提供提供Tj、Rjc、P等参数.基本公式如下:
Tj=Tc+Rjc×P
只要保证Tj﹤Tjmax即可保证芯片正常工作.
归根结底,我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值,芯片就可以正常工作.
如何判断芯片是否需要增加散热措施:
1)搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc、Tj等
2)计算Tcmax:Tcmax=Tj-Rjc×P
3)计算要达到目标需要的Rca:Rca＝(Tcmax-Ta)/P
4)计算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc
如果Rca大于 Rca’,说明不需要增加额外的散热措施.
如果Rca小于Rca’,说明需要增加额外的散热措施.比如增加散热器、增加风扇等等.

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