开关电源的可靠性热设计

文章摘要：之二:比热容www.88dzw.com热传递的速度很重要,但是吸收热量能力低也不利于散热,这里又引入了比热容的概念. 定义:单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度,单位为卡/(千克×°C),数值越大代表物体容纳热量的能力越大.材料比热(卡/(千克×°C))水1000铁113铝217铜93铅31银56根据上表得知,水比热容最高,比金属有更强的热容能力,这也是水冷散热器赖以生存的根本.值得注意的是,铝的比热容不低于铜,这就是为什么纯铜散热器的散热效能并没有大幅超出铝质散热器的原因.热传导系数与比热值体现的是材料本身的特性.但是一款散热器散热性能的好坏,也要受到自身设计结构的影响.而体现

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之二:比热容

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热传递的速度很重要,但是吸收热量能力低也不利于散热,这里又引入了比热容的概念.
  定义:单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度,单位为卡/(千克×°C),数值越大代表物体容纳热量的能力越大.
材料比热(卡/(千克×°C))
水1000
铁113
铝217
铜93
铅31
银56
根据上表得知,水比热容最高,比金属有更强的热容能力,这也是水冷散热器赖以生存的根本.值得注意的是,铝的比热容不低于铜,这就是为什么纯铜散热器的散热效能并没有大幅超出铝质散热器的原因.
热传导系数与比热值体现的是材料本身的特性.但是一款散热器散热性能的好坏,也要受到自身设计结构的影响.而体现这方面整体性能的参数,就要依靠热阻与风阻两个概念了.同时,散热器的体积与重量也不可忽视.
之三:热阻
  热阻,英文名称为thermal resistance,即物体对热量传导的阻碍效果.热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿——℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差.以散热器而言,导热路径的两端分别是发热物体(如CPU等)与环境空气.
  散热器热阻＝(发热物体温度-环境温度)÷导热功率.
  散热器的热阻显然是越低越好——相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低.但是,决定热阻高低的参数非常多,与散热器所用材料、结构设计都有关系.
  必须注意:上述公式中为“导热功率”,而非“发热功率”.因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失,任何与发热物体接触的低温物体(包括空气)都可能成为其散热路径,甚至还可以通过热辐射的方式散失热量.所以,当环境或发热物体温度改变时,即使发热功率不变,由于通过其它途径散失的热量改变,散热器的导热功率也可能发生较大变化.如果以发热功率计算,就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象.
  散热器(不仅限于风冷散热器,还可包括被动空冷散热片、液冷、压缩机等)所标注的热阻值根据测试环境与方法的不同可能存在较大差异,而与用户实际使用中的效果也必然存在一定差异,不可一概而论,应根据具体情况分析.
虽然型材散热器已有了相应的国家标准(GB742312287) ,但其中的自然对流和强迫风冷条件下的热阻关系曲线均为实验数据整理所得, 而在实际应用中影响散热器热阻的因素比较多,实验数据与实际应用有一定误差.如何综合考虑这些因素, 使得在一定工作条件下散热器的热阻最小, 也是工程设计中迫切需要解决的问题.因此, 对散热器进行优化设计也就非常必要.散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题,其目标函数是散热器与环境之间的热阻,设计变量是设计者可选择的参数(肋高、肋长、肋厚、肋片数目、肋片形状、肋片材料等) .
风阻
  风冷散热器的散热片需要仰仗风扇的强制导流才可发挥完全的性能,实际通过的有效风量与散热效果关系密切,而散热片会对风量造成影响的指标就是“风阻”了.
  风阻,正如其名,是物体对流过气流的阻碍作用,但却不能如电阻、热阻般用具体数值来衡量.通常,以风量与进/出口压强差绘制出压强-流量曲线(P-Q曲线),这条曲线便是散热器对通过气流的阻碍效果——相同压强差下,风阻越小,风量越大;相同风量下,风阻越大,压强差越大.
  那么风阻是否越小越好呢?如果能保证有效散热面积,当然!可惜,散热片的有效散热面积与风阻往往不能两全,在提高有效散热面积的同时,难免增大风阻,在散热片结构设计过程中就需要进行权衡了.散热片设计一旦确定,风阻(P-Q曲线)也就基本确定下来,我们能够做的,只有为它选配合适的风扇,令其发挥出设计应有性能了.为散热片搭配合适的风扇,需结合散热片阻抗(风阻)曲线与风扇特性曲线进行分析.
目前散热片主要采用Extruded(挤压技术);Skiving(切割技术);Fold FIN(折叶技术);Forge(锻造技术),四种制造技术.顾名思义,切割技术其实就是把一块块的金属,用专用切割机切出散热片来.使用这种切割技术加工的散热片将会很薄和很精密,这样就会有效地增加散热面积.和挤压技术一样,切割技术也很适合铝材,因为铝材的重量和密度上都有着轻便和相对较低的特点,这样的材料就很适合其散热器制造和任意改良散热器.而采用铜材质的散热器切割起来就多一些难度,对技术要求较高.

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