开关电源的可靠性热设计

文章摘要： 温差 =功耗×热阻www.88dzw.com8 风扇的选择 风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分,对散热效果起着至关重要的作用,是散热器中唯一的主动部件;同时,更对散热器的工作噪音有着决定性的影响.风扇在散热中的职责为:凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式.散热片即使结构再复杂,也只是一个被动的热交换体;因此,一款风冷散热器能否正常“工作”,几乎完全取决于风扇的工作状态.在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下,仅仅是更换更加合适、强劲的风扇,也可以令散热效果获得大幅度的提升;反之

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    温差 =功耗×热阻

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8 风扇的选择
  风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分,对散热效果起着至关重要的作用,是散热器中唯一的主动部件;同时,更对散热器的工作噪音有着决定性的影响.风扇在散热中的职责为:凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式.
散热片即使结构再复杂,也只是一个被动的热交换体;因此,一款风冷散热器能否正常“工作”,几乎完全取决于风扇的工作状态.在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下,仅仅是更换更加合适、强劲的风扇,也可以令散热效果获得大幅度的提升;反之,如果风扇搭配不合适或不够强劲,则会使风冷散热器效能大打折扣,令散热片与整体设计上的优点被埋没于无形;更有甚者,由于风扇是风冷散热器中唯一确实“工作”的部分,它本身的故障也就会导致散热器整体的故障,令其丧失大部分的散热性能,进而引起系统的不稳定或当机,甚至因高温而烧毁设备.
风扇可分为:含油轴承、单滚珠轴承、双滚珠轴承、液压轴承、来福轴承、Hypro轴承、磁悬浮轴承、纳米陶瓷轴承等,下面是其性能比较表由表中可以看出,轴承技术对风扇的性能、噪音、寿命起着重要的决定性作用,实际选购风扇时必须加以注意.通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面要求综合考虑:
  1.性能不高,噪音小,价格低,含油轴承是唯一的选择,但寿命较短,使用一段时间后噪音可能会逐渐增大,需做好维护或更换的心理准备.
  2.性能强悍,寿命长,价格不高,滚珠轴承是不二之选,但需忍受其工作时产生的较大噪音.
  3.性能与噪音都没有特殊要求,但希望寿命长,价格不高,来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择.
  4.性能好,噪音低,寿命长,如此便不能对价格提出进一步的要求了,只要资金充足,液压、精密陶瓷等特色轴承技术都可列入选择范围之内.
  5.对静音与寿命要求极高,磁悬浮轴承是仅有的选择,只是性能不佳,价格过高.
目前,AC/DC系列风扇品牌包括SUNON、ADDA、SANYO、PAPST、NMB和Nidec等.如下图:

9 铝合金型材电子散热器的应用
9．1散热器的热阻模型
  由于散热器是开关电源的重要部件,它的散热效率高与低关系到开关电源的工作性能.散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2倍但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍.通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好.散热器的热阻模型及等效电路如下图所示:


  半导体结温公式如下式如示:
    Pcmax(Ta)= (Tjmax-Ta)/θj-a (W) -----------------------(1)
    Pcmax(Tc)= (Tjmax-Tc)/θj-c (W) -----------------------(2)

    Pc: 功率管工作时损耗
    Pc(max): 功率管的额定最大损耗
    Tj: 功率管节温
    Tjmax: 功率管最大容许节温
    Ta: 环境温度
    Tc: 预定的工作环境温度
    θs : 绝缘垫热阻抗
    θc : 接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分)
    θf : 散热器的热阻抗(散热器与空气)
    θi : 内部热阻抗(PN结接合部与外壳封装)
    θb : 外部热阻抗(外壳封装与空气)
  根据图2热阻等效回路, 全热阻可写为:
    θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
  又因为θb比θs +θc+θf大很多,故可近似为:
    θj-a=θi+θs +θc+θf --------------------------------------------- (4)
  ①PN结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗) θi是由半导体PN结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关.每种半导体都有自身固有的热阻抗.

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