开关电源的热设计方法解析

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开关电源设计的热量分析技巧

Efficiency (%)
100
90
VIN = 7V
80
VIN = 24V7060ຫໍສະໝຸດ 504030
20
10
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
IOUT (A)
Figure 1. Typical Efficiency at 5V VOUT vs IOUT and VIN
inductor, current flowing through the external resistive divider, and possibly the capacitors depending on the ESR.
set up on a board with enough distance from component to component so that the heat dissipations of individual components do not influence the temperature of other components on the board. A clever way of achieving the same result without changing the layout is to mount components in the air on short wires. The board can then be set to run steady state and the temperature of the external components can be measured with an infrared thermometer.
National Semiconductor 2900 Semiconductor Drive Santa Clara, CA 95051 1 800 272 9959

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.。

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

也就是说如何的控制元器件的发热量，如果元器件的发热量得不到有效控制，那么元器件将在几分钟甚至更短的时间里失效。一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；晶体三极管的电流放大倍数加大；MOSFET的漏源导通电阻增大。
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
云母片 "#%) * "#& "#.) "#/
无硅脂 "#(& * "#$ "#$% * %#"( "#.. * "#() %#"" * %#%/ "#(& * "#($ "#$. * %#"’ "#’& * "#’) "#’/ * "#’$ "#’’ * "#’/ "#/" * "#/%
表 %% , # 材料厚度（00）热阻无硅脂 &"(( &"#* （ 1 2 3）有硅脂接触热阻的参考数据（安装在散热片上的 /# 封装的晶体管管壳）无垫片铝箔 &"&# 铜箔 &"&( 氧化铍瓷片氧化铝瓷片氧化铝瓷片氧化铝瓷片 * &"! % %"++ 图 %% , ’ 界面模型
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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

开关电源的原理与设计

开关电源的原理与设计开关电源是一种高效、稳定并且广泛应用于各种电子设备中的电源供应方式。

本文将探讨开关电源的原理与设计方法，帮助读者理解和应用开关电源技术。

一、开关电源的原理开关电源的工作原理主要基于开关器件（如晶体管或MOSFET）、变压器和滤波电路。

其基本原理如下：1. 输入电压通过整流桥变成直流电压，然后经过输入滤波电路去除大部分的纹波。

2. 直流电压通过PWM（脉宽调制）技术控制开关器件，使其周期性地开关。

3. 开关器件的快速开关与关断导致电压和电流的变化，并通过变压器传导到输出端。

4. 输出电压经过输出滤波电路去除纹波，然后供应给负载。

二、开关电源的设计要素1. 选定开关器件：合适的开关器件应具备低导通电阻、快速开关速度和高耐受电压等特点。

2. 设计变压器：变压器的设计应根据输入输出电压比例、功率需求和开关频率来选择合适的磁芯和线圈参数。

3. 输出滤波：合理设计输出滤波电路以减小输出纹波，采用合适的电容和电感来实现滤波效果。

4. 转换控制电路：PWM技术常用于控制开关器件的开关频率和占空比，需要设计合适的控制电路来实现转换。

三、开关电源的设计步骤1. 确定功率需求：根据需求确定开关电源的输出功率和电压范围。

2. 选择开关器件：根据功率需求选择适合的开关器件，考虑其导通电阻、开关速度和电压容忍度等。

3. 设计变压器：根据输入输出电压比例和功率需求设计变压器的磁芯和线圈参数。

4. 设计滤波电路：根据输出电压的纹波要求确定输出滤波电路的参数，包括电容和电感等。

5. 设计转换控制电路：选择合适的PWM控制芯片或设计自己的控制电路，实现开关器件的控制。

四、开关电源的优点1. 高效性：相比线性电源，开关电源的转换效率更高，能够节省能源并减少功耗。

2. 稳定性：开关电源具有更好的稳定性和调节性能，能够在不同负载条件下保持输出电压的稳定。

3. 体积小巧：开关电源采用高频开关器件和储能元件，使得电源尺寸更小、重量更轻。

开关电源原理与设计

开关电源原理与设计
开关电源是一种将电能转换为所需电压、电流和频率的电源设备，广泛应用于各种电子设备中。

它具有体积小、效率高、稳定性
好等特点，因此在现代电子设备中得到了广泛的应用。

本文将介绍
开关电源的工作原理和设计方法。

首先，我们来了解一下开关电源的工作原理。

开关电源主要由
输入滤波电路、整流电路、功率因数校正电路、变换电路、输出整
流滤波电路和控制保护电路等部分组成。

其中，变换电路是开关电
源的核心部分，它通过开关管的导通和关断来实现电能的转换。

在
变换电路中，一般采用开关管和变压器来实现电能的转换，通过控
制开关管的导通和关断，可以实现输出电压的调节。

其次，我们来讨论一下开关电源的设计方法。

在设计开关电源时，首先需要确定所需的输出电压和电流，然后选择合适的开关管、变压器、电容、电感等元器件。

在选择元器件时，需要考虑它们的
功率损耗、温升、效率等参数，以确保开关电源的稳定性和可靠性。

此外，还需要设计合适的控制保护电路，以确保开关电源在各种工
作条件下都能正常工作，并具有过载、短路、过压、过温等保护功能。

最后，我们来总结一下开关电源的优缺点。

开关电源具有体积小、效率高、稳定性好等优点，但也存在着电磁干扰大、设计复杂、成本高等缺点。

因此，在实际应用中，需要根据具体的应用场景来
选择合适的电源类型。

总的来说，开关电源是一种高效、稳定的电源设备，它在现代
电子设备中得到了广泛的应用。

通过本文的介绍，相信读者对开关
电源的工作原理和设计方法有了更深入的了解，希望能对读者在实
际应用中有所帮助。

开关电源热设计实验报告

开关电源系统热分析与热测量实验报告1 实验目的通过对一个典型的开关电源系统的设计、热分析与热测量，使学生掌握典型电子系统的工作原理、设计方法，学会利用现代热分析软件及热测量手段（红外热像仪、多点测温系统）对电子设备进行热分析与热测量，了解元器件的工作温度要求及环境温度对系统可靠性的影响。

2 实验设备及工具3 实验原理3.1 开关电源系统的组成及工作原理传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源，这种电源技术成熟，有大量的集成化模块，具有稳定性好，输出纹波电压小，使用可靠等优点。

但其体积大，重量沉，尤其是效率极低，仅为45%左右。

而开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关元器件，通过控制开关信号的占空比调整输出电压，效率可高达70%—95%。

开关电源是指通过开关三极管的导通—截止—导通过程，给负载提供能量的一类电源。

开关电源主要由取样电路、基准电压电路、误差放大器、三角波发生器（振荡器）、电压比较器、开关功率管、变压器和整流、滤波电路组成。

其原理方框图如图1所示。

图 1 开关电源原理图取样电路通过R1 、R2对输出电压U分压得到反馈电压UF，基准电压电路输出稳定的电压VREF，两个信号之差经误差放大器A1 放大后，作为电压比较器A2 的阈值电压V P 。

将三角波发生器的输出U s 与V P 比较，得到开关管的控制信号，驱动开关管工作，开关管输出的矩形脉冲信号经变压、整流和滤波后得到输出电压U0 。

当U升高时，反馈电压UF随之增大，与基准电压VREF之间的差值减小，因而误差放大器A1 的输出电压VP减小，经电压比较器A2 后，开关控制信号的占空比变小，开关管导通时间缩短，引起电容的充电时间缩短，因此输出电压随之减小；反之，当U0 降低时，反馈电压UF随之减小，与基准电压VREF之间的差值增大，因而误差放大器A1 的输出电压VP增大，经电压比较器A2 后，开关控制信号的占空比变大，开关管导通时间增长，引起电容的充电时间增长，因此输出电压随之变大。

开关电源的热分析与计算

对开关电源的热分析与计算的积极意义：
能精确计算元器件的温升，为电源寿命计算提供依据通过对系统的整体温升分析与计算，为器件的选型与降额设计提供依据通过对元器件热分析与计算，为散热方式与散热器件的选择提供依据能有效控制整体温升，降低元器件的早期失效率，大大提升可靠性
热设计的目标

确保任何的元器件不超过它的最大工作节温
散热方式分析与选择
强迫对流：
热源将热量以热传导方式传至导热介质，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。
风道的设计原则：
风道尽可能短，缩短风道长度可以降低风道的阻力；尽可能采用直线形风道设计，局部阻力小；风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；进风口的结构设计尽量使其对气流的阻力最小，还要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源. 如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。

散热方式分析与选择

传导散热：
具有温度差异的两个直接接触的物体或物体内部个部分之间发生的热传递。本质是分子动能的相互传递。
其中： P：传递的热流（功率）(W) A：与热传输方向垂直的单元端面积(cm2) L：热传输单元的长度(cm) (T1-T2)：热传输单元两边的温度差(℃) K：材料的导热率，量纲为W/(cm2•℃)
温升的推荐值：
任何情况下，器件与整个电源内部环境以及外壳的温升不要超出60℃ 即 Δ T ≤ 60℃

【开关电源设计】热设计培训教材

热辐射
辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体的辐射力计算公式为：
E＝5.67e-8εT4 物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为： Q＝A*5.67e-8/(1/εh+1/εc -1)*(Th4-Tc4) 公式中T指的是物体的绝对温度值＝摄氏温度值＋273.15； ε是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度达到0.8，雪的黑度为0.8。由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相同温差条件下会散去更多的热量。
不同封装的热特性（AmKor）
2、典型器件封装散热特性
普通SOP封装散热性能很差，影响SOP封装散热的因素分外因和内因，其中内因是影响SOP散热的关键。影响散热的外因是器件管脚与PWB的传热热阻和器件上表面与环境的对流散热热阻。内因源于SOP封装本身很高传热热阻。SOP封装散热主要通过三个途径： 1)die的热量通过封装材料（mold compound）传导到器件上表面然后对流散热，低导热的封装材料影响传热。 2)die热量通过pad、封装材料和器件底面与PWB之间的空气层后，递到PWB散热，低导热的封装材料和空气层影响传热。 3)die热量通过lead Frame传递到PWB，lead frame和die之间是极细的键合线（golden wire），因此die和leadframe之间存在很大的导热热阻，限制了管脚散热。
案例：不要被表面的金属欺骗

开关电源的热设计方法解析

开关电源的热设计方法解析
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)。

开关电源热设计浅析

开关电源热设计浅析摘要：随着我国的科技在快速的发展，社会在不断的进步，在众多的电子设备故障中高温是最重要的因素之一，目前芯片集成化密度越来越高，功率也越来越大，芯片发热量大导致的温升严重影响了设备的稳定工作以及性能提升，要保证电子设备长期可靠运行其热设计一直是我们研究的重要课题。

在开关电源的设计中也同样面临着功率不断增大体积不断减小的趋势，在保证设备功能的同时须充分考虑电路工作的稳定性、工作环境、使用寿命等因素，这些因素都直接或间接的与电路温升有密切的关系，所以有必要对开关源中的热设计进行分析研究。

引言随着电源产业的迅速发展,开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度方向迈进。

这些发展趋势都对电源系统的散热提出了更高的要求。

高频化和高功率密度化必然导致电子元器件,尤其是开关电源中的功率器件产生更多的热量。

若热量不及时排除,将引起电子电路板的热流密度过高,影响电路的可靠性和寿命。

电源电路内部的温升超过极限值时,将导致元器件失效。

国外统计资料表明,电子元器件的温度每升高2℃,可靠性下降10%,温升为50℃时,寿命只有25℃时的1/6。

目前,电源电路的可靠性热设计和热评估工作在设计过程中尚属薄弱环节,大部分设计人员仍停留在依靠整机环境试验过关的状况。

虽然对电路进行了一定的热设计,并实施了一定的热控制措施,但未对其热设计的效果进行有效的评估,致使电源内部个别过热部件隐藏的故障隐患未能发现和排除,直接影响到整个电源的质量和可靠性。

因此,电源设计师必须对热设计进行深入的分析和研究,才能更好地解决产品设计中面临的问题。

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。

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。

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。