开关电源的几种热设计方法
开关电源热阻计算方法及热管理
开关电源热阻计算方法及热管理、引言我们设计的DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源产品的转换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前，电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。
所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面。
但是热设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的尺寸和是否有空气流动。
我们在查看IC产品规格书时，经常会看到R JA、T J、T STG T LEAD等名词；首先R JA是指芯片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，T J是指芯片的结温，T STG是指芯片的存储温度范围，T LEAD是指芯片的加工温度。
、术语解释首先了解一下与温度有关的术语：T J、T A、T C、T T。
由“图1 ”可以看出，T J是指芯片内部的结点温度，T A是指芯片所处的环境温度，T C是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度，T T是指芯片的表面温度。
数据表中常见的表征热性能的参数是热阻R A,R A定义为芯片的结点到周围环境的热阻。
其中T J = T A +（R A *P D）励国空弐遏度Rji T T R M图1.简化热阻模型对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。
第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体（R JT），通过对流/辐射（R TA）到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘（R JC），通过对流/辐射（R CA）传导至PCB板表面和周围空气。
对于没有散热焊盘的芯片，RC是指结点到塑封体顶部的热阻；因为R JC代表从芯片内的结点到外界的最低热阻路径。
三、典型热阻值表1典型热阻从表1可以看出，热阻与PCB板尺寸、空气流动、PCB板厚度、过孔数量等参数都有关系。
四、设计实例某直流降压方案，输出5V,电流1A,转换效率n为90%,环境温度TA为50 C。
使用的电容额定温度100 C,且跟芯片靠的很近，要求芯片TJ温度控制在90 C。
开关电源的几种热设计方法
开关电源的几种热设计方法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,目前已高达数百瓦每立方英寸.由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。
它们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,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。
1.热设计中常用的几种方法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: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。
2.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.2.1 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上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.②接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定.接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。
开关电源设计技术
开关电源基本拓朴
• BUCK BOOST 极性反转变换器
非隔离电源应用，典型应用如MC34063等。
5
开关电源基本拓朴
• F广泛，输出功率小
于70W。
6
开关电源基本拓朴
• FORWARD 单端正激变换器
应用于200W以下的电源。
7
开关电源基本拓朴
连续模式（Kp≤ 1）
Irms IP
DMAX
(
K
2 P
3
KP
1)
不连续模式（Kp≥ 1）
Irms
DMAX
I
2 P
3
27
开关电源设计方法
9、根据交流输入电压Vac，Po和η选择开关元件（PI）
10、计算变压器初级电感Lp
连续模式
LP
I
2 P
KP
106 PO 1 KP
2
f sm in
34
开关电源设计方法
19、确定输入整流桥
额定反向电压： VR 1.25 2 VACMAX
额定有效值电流：ID ≥ 2×IACRMS
I ACRMS
PO VACMIN
PF
无功率因数电路时PF取0.5。
35
单端反激电源典型波形
• 次级整流二极管波形
36
单端反激电源介绍
• 单端反激
动画演示： topology.swf
也将是正弦波，从而实 现PFC功能。
19
功率因数校正（PFC）
• 公司使用的PFC芯片LT1249
20
开关电源设计方法
• 单端反激电源设计
1、确定系统要求：Vacmax、 Vacmin、Vo、Io、Po、η 2、根据输出要求选择反馈电路和偏置电压Vb：
开关电源热阻计算方法及热管理
开关电源热阻计算方法及热管理我们设计的DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源产品的转换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前，电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。
所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面。
但是热设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的尺寸和是否有空气流动。
我们在查看IC产品规格书时，经常会看到RJA 、TJ、TSTG、TLEAD等名词；首先RJA是指芯片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，TJ 是指芯片的结温，TSTG是指芯片的存储温度范围，TLEAD是指芯片的加工温度。
二、术语解释首先了解一下与温度有关的术语：TJ 、TA、TC、TT。
由“图1”可以看出，TJ是指芯片内部的结点温度，TA 是指芯片所处的环境温度，TC是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度，TT是指芯片的表面温度。
数据表中常见的表征热性能的参数是热阻RJA ，RJA定义为芯片的结点到周围环境的热阻。
其中TJ = TA+（RJA*PD）图1.简化热阻模型对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。
第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体(RJT )，通过对流/辐射(RTA)到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘(RJC )，通过对流/辐射(RCA)传导至PCB板表面和周围空气。
对于没有散热焊盘的芯片，RJC 是指结点到塑封体顶部的热阻；因为RJC代表从芯片内的结点到外界的最低热阻路径。
三、典型热阻值表1典型热阻从表1可以看出，热阻与PCB板尺寸、空气流动、PCB板厚度、过孔数量等参数都有关系。
四、设计实例某直流降压方案，输出5V，电流1A，转换效率η为90%，环境温度TA为50℃。
使用的电容额定温度100℃，且跟芯片靠的很近，要求芯片TJ温度控制在90℃。
首先系统的损耗PD=VOUT*IOUT*(1/η-1)=5*1*（1/0.9-1）=0.56W假定所有损耗都算在芯片上，可以计算出：热阻RJA≤(90℃-50℃)/0.56≤71.4℃/WPart.1 PCB板尺寸选用芯片的热阻要低于71.4℃/W，选用SOP8-EP芯片，其RJA为60℃/W，仍需要设计一个PCB板或散热片来把热量从塑封体传到周围空气。
开关电源热设计
开关电源热设计讨论散热设计的一些基本原则从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,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:·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,如图3示;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.·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.·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.·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.·设备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.电子设备散热的重要性在电子设备广泛应用的今天.如何保证电子设备的长时间可靠运行,一直困扰着工程师们.造成电子设备故障的原因虽然很多,但是高温是其中最重要的因素(其它因素重要性依次是振动Vibration、潮湿Humidity、灰尘Dust),温度对电子设备的影响高达60%.温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示:F = Ae-E/KT其中:F = 故障率,A=常数E = 功率K =玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K)T = 结点温度随着芯片的集成度、功率密度的日愈提高,芯片的温度越来越成为系统稳定工作、性能提升的绊脚石.作为一个合格的电子产品设计人员,除了成功实现产品的功能之外,还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命,环境适应能力等等.而这些都和温度有着直接或间接的关系.数据显示,45%的电子产品损坏是由于温度过高.可见散热设计的重要性.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为判断的基础依.如何理解Datasheet的相关参数呢?下面将对Datasheet中常用的热参数逐一说明.一、Datasheet中和散热有关的几个重要参数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/θja--结点到环境的热阻,单位℃/W.Rjc/θjc--结点到芯片壳的热阻,单位℃/WΨjt--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.提供最大Ta、Tj、P--早期的芯片Datasheet一般都是这种.理论上我们只需要保证芯片附近的环境温度不超过这个指标就可以保证芯片可以正常工作.但是实际并非如此.Ta这个参数是按照JEDEC标准测试而得.JEDEC标准是这样定义的:把芯片置于一块3X4.5英寸的4层PCB中间,环境温度测试探头距离这块PCB的板边缘12英寸.可见我们产品几乎不可能满足这种测试条件.因此,Ta在这里对我们来说,没意义.在这种情况下保守的做法是:保证芯片的壳体温度Tc＜Ta-max,一般来说芯片是可以正常工作的.>br>直接提供Tc-max--这种情况相对较少,处理也相对简单.只需保证Tc＜Tc-max即可.>br>提供Tj、Rjc/θjc、P--近2年来,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上述参数.基本公式如下:Tj=Tc+Rjc*P只要保证Tj＜Tj-max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第一步:搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc、Tj等第二步:计算Tc-max:Tc-max=Tj- Rjc*P第三步:计算要达到目标需要的Rca:Rca=(Tc-max-Ta)/P第四步: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.如前所述,Rja不能用于准确的计算芯片的温度,所以这种方法只能用于简单的判断.而不能用于最终的依据.下面举一个简单的例子:例:某芯片功耗——1.7W;Rja——53℃/W;Tj——125℃;Rjc——25℃/W,芯片工作的最大环境温度是50℃.判断该芯片是否需要加散热器,散热器热阻是多少.Tc-max=Tj- Rjc*P=125℃-25℃/W*1.7W=82.5℃Rca=(Tc-max-Ta)/P=(82.5-50)1.7=19.12℃/WRca’=Rja-Rjc=53-25=28℃/WRca小于Rca’,所以需要增加散热器.散热器的热阻假设为Rs,则有:Rs//Rca’小于RcaRs*28/(Rs+28)小于19.12Rs小于60.29℃/W所以选用的散热器热阻必须小于60.29℃/W.在普通的数字电路设计中,我们很少考虑到集成电路的散热,因为低速芯片的功耗一般很小,在正常的自然散热条件下,芯片的温升不会太大.随着芯片速率的不断提高,单个芯片的功耗也逐渐变大,例如:Intel的奔腾CPU的功耗可达到25W.当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时,就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放,使芯片工作在正常温度范围之内.通常条件下,热量的传递包括三种方式:传导、对流和辐射.传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递,对流是借助流体的流动传递热量,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量.在实际应用中,散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用.散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器,散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也能带走更大的热能.风扇的使用也分为两种形式,一种是直接安装在散热器表面,另一种是安装在机箱和机架上,提高整个空间的空气流速.与电路计算中最基本的欧姆定律类似,散热的计算有一个最基本的公式:温差= 热阻×功耗在使用散热器的情况下,散热器与周围空气之间的热释放的"阻力"称为热阻,散热器与空气之间"热流"的大小用芯片的功耗来代表,这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样.同样,散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻.热阻的单位为℃/W.选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻.热阻越小,散热器的散热能力越强..浅析高频开关电源的热设计摘要: 阐述了高频开关电源热设计的一般原则, 着重分析了开关电源散热器的热结构设计 .关键词: 高频开关电源; 热设计; 散热器1 引言电子产品对工作温度一般均有严格的要求 . 电源设备内部过高的温升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℃, 可靠性下降10% ; 温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6. 所以电子设备均会遇到控制整个机箱及内部元器件温升的要求, 这就是电子设备的热设计 . 而高频开关电源这一类拥有大功率发热器件的设备, 温度更是影响其可靠性的最重要的因素, 为此对整体的热设计有严格要求 . 完整的热设计包括两方面: 如何控制热源的发热量; 如何将热源产生的热量散出去 . 最终目的是如何将达到热平衡后的电子设备温度控制在允许范围以内 .2 发热控制设计开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管( 如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等) , 大功率二极管( 如超快恢复二极管、肖特基二极管等) , 高频变压器、滤波电感等磁性元件以及假负载等 . 针对每一种发热元器件均有不同的控制发热量的方法 .2.1 减少功率开关的发热量开关管是高频开关电源中发热量较大的器件之一, 减少它的发热量, 不仅可以提高开关管自身的可靠性, 而且也可以降低整机温度, 提高整机效率和平均无故障时间( MTBF) . 开关管在正常工作时, 呈开通、关断两种状态, 所产生的损耗可细分成两种临界状态产生的损耗和导通状态产生的损耗 . 其中导通状态的损耗由开关管本身的通态电阻决定 . 可以通过选择低通态电阻的开关管来减少这种损耗 . MOSFET的通态电阻较IGBT的大, 但它的工作频率高,因此仍是开关电源设计的首选器件 . 现在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形场效应晶体管)功率MOSFET已将通态电阻做到3 mΩ, 从而使这些器件具有更低的传导损失、栅电荷和开关损耗 . 美国APT公司也有类似的产品 . 开通和关断两种临界状态的损耗也可通过选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少 . 但更为重要的则是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减少损耗, 这种方法在开关频率越高时越能体现出优势来 . 如各种软开关技术, 能让开关管在零电压、零电流状态下开通或关断, 从而大大减少了这两种状态产生的损耗 . 而一些生产厂家从成本上考虑仍采用硬开关技术, 则可以通过各种类型的缓冲技术来减少开关管的损耗, 提高其可靠性 .2.2 减少功率二极管的发热量高频开关电源中, 功率二极管的应用有多处, 所选用的种类也不同 . 对于将输入50Hz交流电整流成直流电的功率二极管以及缓冲电路中的快恢复二极管, 一般情况下均不会有更优的控制技术来减少损耗, 只能通过选择高品质的器件, 如采用导通压降更低的肖特基二极管或关断速度更快且软恢复的超快恢复二极管, 来减少损耗, 降低发热量 . 高频变压器二次侧的整流电路还可以采用同步整流方式, 进一步减少整流压降损耗和发热量, 但它们均会增加成本 . 所以生产厂家如何掌握性能与成本之间的平衡, 达到性价比最高是个很值得研究的问题 .2.3 减少高频变压器与滤波电感等磁性元件的发热高频开关电源中不可缺少地应用了各种磁性元件, 如滤波器中的扼流圈、储能滤波电感,隔离型的电源还有高频变压器 . 它们在工作中会产生或多或少的铜损、铁损, 这些损耗以发热的方式散发出来 . 尤其是电感和变压器, 线圈中所流的高频电流由于趋肤效应的影响, 会使铜损成倍增加, 这样电感、变压器所产生的损耗成为不可忽视的一部分 . 因此在设计上要采用多股细漆包线并联缠绕, 或采用宽而薄的铜片缠绕, 以降低趋肤效应造成的影响 . 磁芯一般选用高品质铁氧体材质, 如日本生产的TDK磁性材料 . 型号的选择上要留有一定的余量,防止出现磁饱和 .2.4 减少假负载的发热量大功率开关电源为避免空载状态引起的电压升高, 往往设有假负载——大功率电阻, 带有源PFC单元的电源更是如此 . 开关电源工作时, 假负载要通过少量电流, 不但会降低开关电源的效率, 而且其发热量也是影响整机热稳定性的因素 . 假负载在印制板( PCB) 上的位置往往与输出滤波用的电解电容靠得很近, 而电解电容对温度极为敏感 . 因此很有必要降低假负载的发热量 . 比较可行的办法是将假负载设计成阻抗可变方式 . 通过对开关电源输出电流的检测来控制假负载阻抗的大小, 当电源处于正常负载时, 假负载退出消耗电流状态; 空载时,假负载消耗电流最大 . 这样既不会影响电源空载时的稳定性, 也不会降低电源的效率和产生大量不必要的热量 .3 散热设计3.1 散热的基本方式及其计算方法散热有三种基本方式: 热传导、对流换热和热辐射 .1) 热传导靠物体直接接触或物体内部各部分之间发生的传热即是热传导 . 其机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间、分子动能的相互传递 . 热传导与电流的概念非常类似, 热量总是从温度高的地方传导到温度低的地方, 热传导过程中有热阻存在如同电流流动过程中有电阻一样 . 其热流量式中Rt为热阻, τ为温度差 . 而热阻, 式中δ为导体厚度, λ为热导率, A为导体截面积 . 这样, 在开关电源设计中, 可以由发热源的耗散功率, 求出温升τ=ΦRt. 由于实际应用中, 热流量从热源出发到达散热器往往要经过几种不同材料的热导体, 即存在不同热阻的串联, 在计算时, 总热阻为多个热阻的和 .2) 对流换热热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层, 这层流体受热后, 体积膨胀, 密度变小, 向上流动, 周围的密度大的流体流过来填充, 填充过来的流体吸热膨胀向上流动, 如此循环, 不断从发热元器件表面带走热量, 这一过程称为对流换热 . 对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式: Φ=αA(θ1- θ2)[W], 其中A为与流体接触的壁面面积[m2], α为对流换热系数, θ1为壁面温度[K], θ2为流体平均温度[K]. 由此可见, 热流量Φ与对流换热系数α, 截面积A及固体表面与流体的温度差( θ1- θ2) 的乘积成正比 . 对流换热是一种复杂的热传递过程, 它不仅决定于热的过程, 而且决定于气体的动力学过程 . 简单地说, 影响对流换热的因素有两个方面: ( 1) 流体的物理性质, 如密度、粘度、膨胀系数、热导率、比热等; ( 2) 流体的流动情况, 是自然对流还是强迫对流, 是层流还是紊流 . 因为层流时, 热传递主要依靠互不相干的流层之间导热; 而紊流时, 则在紧贴壁面的层流底层之外, 流体产生漩涡加强了热传递作用 . 一般而言, 在其它条件相同情况下, 紊流的换热系数比层流的换热系数大好几倍, 甚至更多 .3) 热辐射由于温差引起的电磁波传播称为热辐射 . 它的过程比热传导和对流换热复杂得多 . 它是将物体的一部分热能转换成电磁波的能量, 通过能传递电磁波的介质如空气、真空等, 向四周传播出去, 当遇到其它物体时, 则一部分被吸收再转化为热能, 剩下的则被反射回来 . 各种物体所散发出来的红外线, 即是热辐射的一种 . 在真空或空气中, 物体辐射出去的辐射能力Φ, 决定于物体的性质、表面状况( 如颜色、粗糙度等) 、表面积大小及表面温度等 . Φ=εσbA(T14- T24)其中σb为波尔兹曼常数,值为5.67×10- 8, A为辐射表面积[m2], T为两物体表面的绝对温度[K],ε为表面黑度 . 物体表面颜色越深, 越粗糙, 辐射能力越强 .3.2 开关电源中各发热源的主要散热方式开关电源中各发热源, 如整流桥、功率开关管、快恢复二极管、磁性元件以及作为假负载的大功率电阻等, 这些元器件所产生的热量必须设法散发出去, 一般热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热 . 即所有发热元器件均先固定在散热器上, 热量通过热传导方式传递给散热器, 散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱 . 实际的散热情况为三种传热方式的综合, 可以用牛顿公式来统一表达: Φ=KSτ, 其中S为散热表面积, K 为表面散热系数 . 表面散热系数通常由试验确定, 在一般的工程流体力学中有数据可查 . 它把传热的三种形式全部统一起来了 .通过Φ=KSτ, 我们可以在计算出耗散功率以后, 根据允许温升τ来确定散热表面积S, 并由此而确定所要选用的散热器 . 这种计算对于提高开关电源的可靠性、功率密度、性价比等都有着重要意义 . 在相当多的情况下, 生产厂家为了降低电源模块的成本, 往往采用通用型的散热器, 这些散热器的设计并不一定非常合适 . 对于特定的要求高可靠性的通信用高频开关电源来说, 有针对性地设计专门的散热器就显得很重要 . 例如新西兰的一种用于通信电源系统的整流模块Intergy R2948( 48 V/60 A) 单模块输出功率 2 900 W, 它所采用的风冷散热为前进风, 斜上出风方式, 其散热器为专门设计 . 它最突出的特点是散热器上的散热片均呈一定的斜角, 可将流过的空气导向斜上方, 这种流向符合热空气由下往上流动的物理特性,这样在相同散热功率下, 可以降低对空气流速的要求 . 同时, 散热片为铸铝磨砂外型, 表面粗糙度大, 这种外形在底流速的空气中, 更容易使层流转变成紊流, 进而提高换热系数 . 综合这两种特性, 可以大大提高散热器的散热效率, 从而在相同功率输出和其它外界条件下,降低了对风扇转速的要求, 如果再采取风扇随功率输出大小的无级调速, 便可提高风扇的寿命 . 而对整流模块来说, 风扇的MTBF是所有元器件中最低的, 一直都是制约整流模块提高MTBF的瓶颈, 所以采取各种措施提高散热效率来延长风扇寿命就具有非常积极的意义 . 原华为电气公司, 现在的艾默生网络能源公司的部分产品也有类似设计, 说明这种设计方法正被越来越多的电源厂家采用 . 由于这种散热器需要定做, 根据用户要求加工模具, 故成本高一些, 但对提高电源的可靠性还是相当有益的 .4 结语综上所述, 在高频开关电源的热设计方面, 需要考虑发热和散热两方面的情况, 优先采用降低发热的各类技术, 同时提高整机尤其是散热器的散热效率 . 这种设计思想从部分厂家的电源模块上得到了验证, 为从事电源设计的人员提供了一点可以借鉴的设计方法 .参考文献[1] [美].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.气体动力学基础[M].北京: 机械工业出版社, 1982.[2] 徐国策 .高压断路器原理及应用[M].北京: 清华大学出版社, 2000.[3] 苏开才,毛宗源 .现代功率电子技术[M].北京: 国防工业出版社, 1995.。
开关电源热设计要点解读——这篇经典小文档难得一见(民熔)
开关电源热设计要点解读开关电源中使用了大量的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。
它们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,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。
1、热设计中常用的几种方法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: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。
2、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。
3、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。
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。
电子设计中常用的开关电源设计方法
电子设计中常用的开关电源设计方法在电子设计中，开关电源是一种常用的电源设计方法，它具有高效率、小体积和稳定性好等优点，因此在各种电子设备中被广泛应用。
在实际应用中，有几种常见的开关电源设计方法，包括降压型开关电源、升压型开关电源和反激型开关电源。
首先是降压型开关电源，它是最常见的开关电源设计方法之一。
降压型开关电源通过将输入电压降低到输出电压的方法来实现电压转换。
在降压型开关电源中，主要包括基本的降压型稳压器、脉宽调制（PWM）控制方式以及电感式降压转换器等。
在实际应用中，通过合理选择器件参数和控制方式，可以实现高效率、低波动、小尺寸等优点。
其次是升压型开关电源，与降压型开关电源相反，升压型开关电源将输入电压升高到输出电压的水平。
升压型开关电源的工作原理相对复杂一些，需要具备更高的技术要求。
在升压型开关电源中，常用的设计方法包括升压型稳压器、升压式模块以及多级升压转换器等。
设计时需要考虑输出电压稳定性和负载调整范围等因素，以确保电源的性能和稳定性。
最后是反激型开关电源，它是一种常用于大功率应用中的开关电源设计方法。
反激型开关电源具有高效率、快速响应和良好的动态性能等特点。
在反激型开关电源设计中，主要包括基本的反激型稳压器、谐振反激式转换器以及桥式反激转换器等。
通过合理选择拓扑结构和控制方式，可以实现高效率和稳定的反激型开关电源设计。
总的来说，在电子设计中常用的开关电源设计方法包括降压型开关电源、升压型开关电源和反激型开关电源。
设计时需要考虑输入输出电压范围、负载调整范围、效率要求以及输出稳定性等因素，以选择合适的开关电源设计方法，并通过合理设计实现性能优越的电源系统。
希望以上内容对您有所帮助，如有任何疑问欢迎继续交流。
开关电源原理和设计
二极管
二极管可以控制电流的方向和大小，保护电路免受 过载或短路的危害。
常见的开关电源拓扑结构
AC/DC开关电源 • 单端整流式 • 全桥式
DC/DC开关电源 • 降压式 • 升压式 • 升降式 • 反激式
开关电源的设计要点
1 元器件选用
不同的电源拓扑需要不同 的元器件，选用高质量的 元器件可以提高电源性能 和可靠性。
输出电压稳定性
输出电压稳定性是开关电源的 重要性能指标之一，这意味着 电源输出可以应对多种电流波 动。
功率密度
开关电源的功率密度是指它可 以在物理上承受多少功率。这 决定了电源设计中元器件的规 格和数量。
开关电源的应用领域
1
家用电器
如传统电视机、彩色电视机、音响、录像机、扫描仪、打印机等。
2
通讯设备
开关电源原理和设计
开关电源已经成为了各种电子设备中最受欢迎的电源方案之一。在这个演示 中，我们将深入挖掘开关电源的概念、原理、结构和性能，同时分享一些设 计要点和应用领域。
开关电源的概述
稳定性
开关电源可以提供高质量、 稳定的电源输出。
效率高
相比于线性电源，开关电源 的效率可以达到80%以上， 这也使得其在绿色能源领域 得到广泛应用。
2 电路设计
合理的电路设计是关键， 包括工作状态分析、稳态 和瞬态分析、选用开关器 件和变压器以及管脚的布 局等。
3 温度管理
热管理对于开关电源来说 非常重要，高温环境下， 各种元器件的工作稳定性 都会降低，所以需要进行 合理的热管理。
开关电源的性能参数
效率
一个好的开关电源应该有近乎 100%的效率，这样它才能提供 足够的电能，同时保持冷静。
例如移动电话、计算机调制解调器、传真机、电话机、光纤通信等。
开关电源模块常用的散热方式
开关电源模块常用的散热方式目录1.自然冷却（是指通过空气的自然流动散热） (1)2.风扇冷却（也叫强制风冷/通风） (1)3.风扇和自然冷却相结合 (2)4.热传导（散热片散热） (3)1.自然冷却（是指通过空气的自然流动散热）自然冷却方式是开关电源早期的传统冷却方式，这种方式主要是依靠自然的空气流动，通过空气的传导式散热。
换热量Q=KAAt（K换热系数，A换热面积，温度差）。
当整流器输出功率增大时，其功率元件的温度会上升，At温度差也增加，所以当整流器A 换热面积足够时，其散热是没有时间滞后，功率元件的温差小，其热应力与热冲击小。
但这种方式的主要缺点就是散热片体积和重量大。
变压器的绕制为尽可能降低温升，防止温度的上升影响其工作性能,所以其材料选择的裕量较大，变压器的体积和重量也大。
整流器的材料成本高,维护更换不方便。
由于其对环境的洁净度要求不高，目前对于小容量通信电源,在些小型专业通信网还有部分应用，如电力、石油、广电、军队、水利、国安、公安等。
2.风扇冷却（也叫强制风冷/通风）随着风扇制造技术的发展，风扇的工作稳定性和使用寿命有较大的进步，其平均无故障时间是5万小时。
采用风扇散热后可以减去笨重的散热器，使得整流器的体积和重量大大改善，原材料成本也大大降低。
随市场竞争的加剧，市场价格的下滑，这种技术已成为当前的主要潮流。
这种方式的主要缺点是风扇的平均无故障时间较整流器10万小时时间短，若风扇故障后对电源的故障率影响大。
所以为保证风扇的使用寿命，风扇的转速是随设备内的温度变化而变化的。
其散热量Q=KmAt（K换热系数，m换热空气质量，温度差）。
m换热空气质量是和风扇的转速相关，当整流器输出功率增大时，其功率元件的温度会上升，而功率元件温度的变化到整流器能将这种变化检测到，再到增加风扇的转速以加强散热，在时间上是有很大滞后的。
如果负载经常突变，或者市电输入波动大，就会造成功率元件出现快速的冷热变化，这种突变的半导体温度差产生的热应力与热冲击，会导致元件的不同材料部分产生应力裂纹。
高频大功率开关电源结构的热设计
高频大功率开关电源结构的热设计摘要：随着大功率开关电源功率密度的不断提高，合理的热设计是保证电源可靠工作的前提条件。
目前，开关电源的热设计主要根据设计者的实际经验，部分经验公式也只是适用于某些特定情况，不具有普遍性。
因此，如果没有准确把握电源结构的热设计原则，仅以热电偶、红外测温等热控手段进行保护，难免存在电源局部过热的故障隐患。
通过电源结构热设计方法，给出风机和散热片的详细设计方案，通过热场模拟分析进行电源结构的设计。
关键词：开关；电源；热设计随着电力电子设备的小型化发展趋势，开关电源的功率密度不断提高，电源的可靠性面临着严峻的挑战。
如果电源结构设计不当的话，运行时有可能因为温度过高、机械振动、电磁干扰等造成故障。
因此，电源结构设计的好坏直接影响到电源系统能否长时间稳定工作。
由于开关电源的大部分损耗都转化为热量，电源的散热效果与电源的结构设计密切相关。
如果电源结构设计不当，那么开关器件所产生的热量将不能及时排出，开关器件的失效率将随着温度升高而大幅增大，严重时还会因温度过高而烧毁开关器件，直接影响到电源的寿命和可靠性。
一、高频开关电源的热设计1、损耗分析。
大功率高频开关电源交流输入为三相380V，直流输出为15V/2kA，主电路包括输入整流、高频逆变以及输出整流三个部分。
其中输入整流采用三相整流桥；高频逆变采用移相全桥逆变电路，且选用大电流、低饱和压降的IGBT；输出整流采用全波不可控整流电路，且输出整流二极管选用反向恢复时间短、功耗低的肖特基二极管。
由于输出电流比较大，且为了提高功率密度，高频变压器和输出整流器采用并联的设计方案，如图。
（1）输入整流器损耗。
由于电源的输入电压为交流380V，整流滤波后的输出电压最大值约为540V，故输入端三相整流桥可选用6RI100G-160，其损耗PR可以根据该型号器件手册上的功耗-电流曲线图读出，结果为PR=250W。
（2）逆变电路损耗。
逆变电路的功率开关器件实际是由IGBT和续流二极管组成。
开关电源的热分析与计算
方法：
a、优选控制方式：软开关技术(QR,LLC,有源钳位),移相控制技术,同步整流 b、选用低功耗的器件：CoolMOS,SiC diode,高磁导率的磁性材料等 c、根据应用的场合，做好元器件的降额设计
Ths=PD*Rθ sa+Ta
同样可以得出耗散功率的计算公式
PD=(Ths+Ta)/Rθ sa
焊盘大小对散热的影响：
如右图是PCB上铜箔厚度为2OZ(约70um 56.7g)焊盘面积与热阻的对应关系，由图可以看 出，当散热焊盘面积大于0.2in2时，热阻对应约 0.5℃/W,即使再继续加大焊盘面积，但热阻基本 不变，也就是说对散热不再有帮助，所以说散热 焊盘的面积也不越大越好。
热路与温度的计算
结温的计算：
从以上几个热电路可以看出，结温等于热路中温升之和再加上环境温度。 即 Tjmax=PD*(Rθ
jc
+Rθ cs+Rθ sa)+Ta
例：某大功率工业电源的PFC电路，经计算IGBT的损耗为15W,升压二极管损耗为17W，
两管同时装在一个散热器上；IGBT芯片到外壳的热阻为0.85℃/W，升压二极管到 外壳的热阻为1.9℃/W，绝缘矽胶片与散热膏的总热阻为0.7℃/W，散热器的热阻 为1.3℃/W；环境温度为60℃，求IGBT与二极管芯片的结温。 解：根据题意可以画出等效热电路（略） 对于IGBT,有 Tjmax1=(15+17)*1.3+(0.85+0.7)*15+60 =41.6+23.25+60 =124.85 ℃ 对于Diode,有 Tjmax2=(15+17)*1.3+(1.9+0.7)*17+60 =41.6+44.2+60 =145.8 ℃
开关电源散热设计
材料 厚度 （!!） 热阻
氮化硼瓷片氮化硼瓷片氮化硼瓷片氮化硼瓷片氮化硼瓷片 "#$ % %#& %#’ %#(
聚酯膜
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无硅脂 "#(& * "#$ "#$% * %#"( "#.. * "#() %#"" * %#%/ "#(& * "#($ "#$. * %#"’ "#’& * "#’) "#’/ * "#’$ "#’’ * "#’/ "#/" * "#/%
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第十一章
开关电源的散热设计
— —材料两端高低温温差 （"） 。 !! ! — 与式 （## $ #） 相比较， 可以得出热阻 "" 公式 将式 （## $ %） # （## $ ’） $% 从 ) 端输出， 如图 ## $ * 所示， 在热传导 假设热阻串并联网络中热量 & 从 ( 端输入， 过程中没有向外界辐射热量， 即输入、 输出的热量相等， 这样通过每个热阻产生的温差分 "" & 别为 。 &； &； &； &# + "" &（ !!# & "" !!% & "" !!’ & "" !!* & "" % &# + &% & & ） # % ’ * , 在铝板的一端有散热器， 另一端有发热元件， 铝板的 铝导热板模型如图 ## $ , 所示， 中部开有两个长方孔， 利用铝板导热， 其热阻为
高压开关电源散热设计原则及常见方法
高压开关电源散热设计原则及常见方法摘要：由于开关电源中使用了大量的大功率器件，它们在工作时会产生大量的热量，电源内部过高的温升将会导致对温度敏感的功率器件等元器件的失效。
因此，电源的散热设计对提高开关电源乃至整套电子设备的工作可靠性显得尤为重要。
本文主要讨论了散热设计的基本要求和基本原则，推荐了几种常用的散热方法。
关键词：电源；散热；热设计；散热器1散热有三种基本方式（1）热传导: 靠物体直接接触或物体内部之间发生的传热即是热传导。
其机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间，分子动能的相互传递。
（2）对流换热 : 热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来填充，填充过来的流体吸热膨胀向上流动，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量，这一过程称为对流换热。
对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式：Φ=αA(θ1 －θ2)[W]，其中 A 为与流体接触的壁面面积 [m2]，α 为对流换热系数，θ1 为壁面温度 [K]，θ2 为流体平均温度 [K]。
（3）热辐射 : 由于温差引起的电磁波传播称为热辐射。
它是将物体的一部分热能转换成电磁波的能量，通过能传递电磁波的介质如空气、真空等，向四周传播出去，当遇到其它物体时，则一部分被吸收再转化为热能，剩下的则被反射回来。
各种物体所散发出来的红外线，即是热辐射的一种。
在真空或空气中，物体辐射出去的辐射能力Φ，决定于物体的性质、表面状况（如颜色、粗糙度等）、表面积大小及表面温度等。
物体表面颜色越深，越粗糙，辐射能力越强。
2开关电源的散热设计2.1开关电源主要散热方式开关电源中各发热源，如整流桥、功率开关管、快恢复二极管、磁性元件以及作为假负载的大功率电阻等，这些元器件所产生的热量必须散发出去，一般热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热。
即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过热传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱。
开关电源常用保护电路-过热、过流、过压以及软启动保护电路
1引言随着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用,并相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源。
同时随着许多高新技术,包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术的发展,开关电源技术在不断地创新,这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。
但是由于开关电源中控制电路比较复杂,晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差,在使用过程中给用户带来很大不便。
为了保护开关电源自身和负载的安全,根据了直流开关电源的原理和特点,设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启动保护电路。
2、开关电源的原理及特点2、1工作原理直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。
功率转换部分是开关电源的核心,它对非稳定直流进行高频斩波并完成输出所需要的变换功能。
它主要由开关三极管和高频变压器组成。
图1画出了直流开关电源的原理图及等效原理框图,它是由全波整流器,开关管V,激励信号,续流二极管Vp,储能电感和滤波电容C组成。
实际上,直流开关电源的核心部分是一个直流变压器。
2、2特点为了适应用户的需求,国内外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是通过改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能,同时SMT 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。
因此直流开关电源的发展趋势是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
直流开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰,适应恶劣环境和突发故障的能力较弱。
由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因此直流开关电源的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高,3、直流开关电源的保护基于直流开关电源的特点和实际的电气状况,为使直流开关电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作,本文根据不同的情况设计了多种保护电路。
电源应用的热设计
电源模块应用的热设计一．电源模块应用热设计的重要性随着电子科技和电源行业的发展，电源模块在社会的各个领域得到了广泛的应用。
小型化，集成化将是未来电源的发展方向。
由于功率密度越来越高，电源模块在使用过程中的将不可避免的遇到有关热设计方面的问题。
尤其是AC/DC 电源模块，因为有电解电容的存在，如果长期工作在温度较高的环境，不仅会使电解电容的使用寿命大大减少，甚至会烤干电解电容内的电解液，造成模块工作异常或引发安全事故。
因此好的热设计不仅可延长电源模块和其周围元器件的使用寿命，还可使整个产品发热均匀，减少事故的发生。
这里就将电源模块应用方面的热设计做下简单的描述，仅供参考。
二．电源模块应用热设计的几种常用方法1． 采用自然风冷对于一些小型化，高功率密度的电源模块(主要是板载式电源模块)来说，由于体积，成本等因素的影响，其电源模块大部分采用自然风冷作为主要的散热方式。
如：广州金升阳科技有限公司AC/DC 电源中的LB 、LD 和LH 系列25W 以下都是采用这种散热方式。
通常的板载式的电源模块的散热途径主要有以下几种：a. 通过自然对流的方式将热量从电源模块外壳和暴露表面传至空气中，如果电源模块与PCB 之间有间隙，也会通过其中的沟道传到周围环境中；b. 通过辐射由模块的暴露外壳辐射到周围物体表面或从模块的底部辐射到PCB 板；c. 通过传导方式经模块管脚传到PCB 板上。
如下图：电源模块外壳板暴露表图1 安装在板上的模块电源PCB这类电源模块在应用的过程中主要注意以下几个方面：① 注意电源模块的通风由于这类电源主要依靠自然对流和热辐射来散热，所以电源模块周围的环境一定要通风良好，便于热量的快速散发。
有必要时可在使用电源模块的产品周围增加散热孔，且散热孔要对通，周围无大型元器件遮挡，便于空气流通。
② 注意相关发热器件的摆放对于使用电源模块的产品中，可能电源模块不是唯一的发热源。
对于这样拥有多个 发热源的产品来说，各个发热源应尽量远离，避免相互之间的热辐射，加剧电源模块的热环境。
工程师技术知识分享：开关电源的几种热设计方法
工程师技术知识分享：开关电源的几种热设计方法
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。
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上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)。
开关电源的热设计
开关电源的热设计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。
完整的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。
下面从两个方面加以说明。
（1）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）。
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，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；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实现。
但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。
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。
对于变压器次级的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。
对于高频磁性材料引起的损耗，要尽量避免集肤效应，对于集肤效应造成的影响，可以采用多。
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开关电源的几种热设计方法
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,目前已高达数百瓦每立方英寸.由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。
它们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,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。
1.热设计中常用的几种方法
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: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。
2.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.
2.1 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上图所示
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.
②接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定.接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。
当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时就会增大接触热阻抗θc。
在半导体和散热器之间涂上硅油可以增大接触面积，排除接触面之间的空气而硅油本身又有良好的导热性，可以大大降低接触热阻抗θc。
当前有一种新型的相变材料，专门设计用采取代硅油作为传热介面，在65℃（相变温度）时从固体变为流体，从而确保界面的完全润湿，该材料的触变特性避免其流到介面外。
其传热效果与硅油相当，但没有硅油带来的污垢，环境污染和难于操作等缺点。
用于不需要电气绝缘的场合。
典型应用包括cpu散热片，功率转换模块或者其它任何簧片固定的硅油应用场合，它可涂布在铝质基材的两面，可单面附胶，双面附胶或不附胶。
③绝缘垫热阻抗θs
绝缘垫是用于半导体器件和散热器之间的绝缘.绝缘垫的热阻抗θs取决于绝缘材料的材质、厚度、面积。
下表中列出几种常用半导体封装形式的θs+θc
④散热器热阻抗θf
散热器热阻抗θf与散热器的表面积、表面处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。
因此一般都会设法增强散热器的散热效果，主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增强散热器表面的风速。
散热器的散热面积设计值如下图所示：
但如果过于追求散热器的表面积而使散热器的叉指过于密集则会影响到空气的对流，热空气不易于流动也会降低散热效果。
自然风冷时散热器的叉指间距应适当增大，选择强制风冷则可适当减小叉指间距。
如上图所示：
⑤散热器表面积计算
s=0.86w/(δt*α) (m2)
δt: 散热器温度与周围环境温度（ta）的差（℃）
α：热传导系数，是由空气的物理性质及空气流速决定。
α由下式决定。
α=nu*λ/l ()
λ:热电导率（kcal/m2h）空气物理性质
l：散热器高度（m）
nu：空气流速系数。
由下式决定。
nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr
v：动粘性系数（m2/sec）,空气物理性质。
v’:散热器表面的空气流速(m/sec)
pr: 系数,见下表
2.2 散热设计举例
[例] 2scs5197在电路中消耗的功率为pdc=15w,工作环境温度ta=60℃,求在正常工作时散热器的面积应是多少?
解: 查2scs5197的产品目录得知:pcmax=80w(tc=25℃),tjmax=150℃且该功率管使用了绝缘垫和硅油. θs+θc=0.8℃/w
从(2)式可得
θi=θj-c=(tjmax-tc)/pcmax-=(150-25)/80≒1.6℃/w
从(1)式可得
θj-a=(tjmax-ta)/pdc=(150-60)/15=6℃/w
从(4)式可得
θf=θj-a－(θi＋θc＋θs) ≒6－(1.6+0.8)=3.6℃/w
根据上述计算散热器的热阻抗须选用3.6℃/w以下的散热器.从散热器散热面积设计图中可以查到:使用2mm厚的铝材至少需要200cm2,因此需选用140*140*2mm 以上的铝散热器.
注：在实际运用中，tjmax必须降额使用，以80%额定节温来代替tjmax确保功率管的可靠工作。
3、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。
6、结语
开关电源的热设计应充分考虑产品所处的工作环境及实际的工作状态并将上述几种方法综合运用才能设计出既经济又能充分保证半导体散热的开关电源产品。