隨著(zhù)如今開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其產(chǎn)品也逐漸向小型化、高頻化、高功率密度方向邁進(jìn)。這些發(fā)展趨勢都對開(kāi)關(guān)電源的散熱性能產(chǎn)生了更為苛刻的要求。高頻、高功率密度化必然導致電子元器件過(guò)熱，尤其是開(kāi)關(guān)電源中的功率器件會(huì )產(chǎn)生更多的熱量。若熱量不及時(shí)排除，將引起電子電路板的熱流密度過(guò)高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內部的溫升超過(guò)極限值時(shí)，將導致元器件失效。國外統計資料表明，電子元器件的溫度每升高2℃，安全性下降10%，溫升為50℃時(shí)，壽命只有25℃時(shí)的1/6。如今，開(kāi)關(guān)電源的電路可靠性熱設計和熱評估工作在設計過(guò)程中尚屬薄弱環(huán)節，大部分設計人員仍停留在依靠整機環(huán)境試驗過(guò)關(guān)的狀況。雖然對電路進(jìn)行了一定的熱設計，并實(shí)施了一定的熱控制措施，但未對其熱設計的效果進(jìn)行有效的評估，致使電源內部個(gè)別過(guò)熱部件隱藏的故障隱患未能發(fā)現和排除，直接影響到整個(gè)電源的質(zhì)量和可靠性。因此，在電路設計初期設計師就需要對熱設計進(jìn)行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設計中面臨的問(wèn)題。
開(kāi)關(guān)電源熱設計
1開(kāi)關(guān)電源熱設計的基本概念和目標
所謂的熱設計就是利用熱傳遞特性，通過(guò)附加的冷卻措施，控制電子設備內部所有元器件的溫度，使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)降額后規定的最高允許工作溫度的設計技術(shù)。
實(shí)施熱系統設計主要達到兩個(gè)目標。首先，確保任何元器件不超過(guò)降額后的最大工作結溫T，max﹔其次，在給定的有限空間和重量下，盡可能保持元器件的散熱性能。元器件廠(chǎng)商提供的數據手冊中，給出了元器件的最大工作結溫。若破壞了第一個(gè)準則，元器件將在幾分鐘內失效，若破壞了后者，就會(huì )影響系統的長(cháng)期壽命。
2開(kāi)關(guān)電源電路熱設計
在不影響產(chǎn)品本體性能的條件下，針對開(kāi)關(guān)電源電路的具體要求，并結合元器件的熱分析，選擇合適的冷卻方式，是進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源電路熱設計的主要工作。熱設計的原則:一是減少發(fā)熱量，即選用最優(yōu)的控制方法和技術(shù)，如移相全橋技術(shù)，同步整流技術(shù)等;另外，選擇使用低功耗器件，減少發(fā)熱器件的數目，加大加粗印制線(xiàn)的寬度，提高電源效率;二是采用電源內部的熱交換機制，采用傳導、對流和輻射三種方式，如散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強迫風(fēng)冷)、液冷(水和油)熱管等，將電源內部多余的熱量轉移。
熱系統分析實(shí)際上是歐姆定律的變形，有直接與電氣領(lǐng)域的元器件相對應的等效元件。電路中的每個(gè)元器件和節點(diǎn)對應實(shí)際設計結構中的一個(gè)物理結構體或表面，電源則對應電路中的一個(gè)發(fā)熱元器件，它產(chǎn)生可計算或測量的功率。損耗就是發(fā)熱，開(kāi)關(guān)電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可忽略的因素。它不僅會(huì )影響到元器件的可靠性，而且對開(kāi)關(guān)電源的輸出也產(chǎn)生影響。
功率器件的損耗主要包括開(kāi)關(guān)損耗Pru、導通損耗Pc和門(mén)極驅動(dòng)損耗Pg。表征功率器件熱能力的參數主要有結溫Tj和熱阻Ro。當結溫高于周?chē)h(huán)境溫度Ta時(shí)，Tj隨著(zhù)溫差(Tj一Ta)的增大而增大，為了保證器件能夠長(cháng)期正常工作，必須規定最大結溫Timax。Timax的大小是根據器件的封裝材料、芯片材料和可靠性的要求確定的。功率器件的散熱能力主要通過(guò)熱阻來(lái)表征。熱阻越大，散熱能力越差。熱阻主要分為內熱阻和外熱阻兩個(gè)部分:前者是器件本身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和器件的加工工藝有關(guān);后者則與管殼的封裝形式有關(guān)。通常管殼的表面積越大，熱阻越小。功率器件的熱設計主要分為器件內部芯片的熱設計，封裝的熱設計，管殼的熱設計，以及功率器件實(shí)用熱設計。電源設計工程師的主要工作是針對功率器件的實(shí)用熱設計，其目的是通過(guò)計算功率器件的損耗，選擇合適的散熱器和合理的電路布局;通過(guò)散熱器的有效散熱，保證器件的結溫在安全的結溫之內，且能長(cháng)期正?？煽康毓ぷ?。
變壓器的損耗包括:鐵心的損耗(鐵損)和線(xiàn)圈的損耗(銅損)。變壓器的鐵損和銅損分別構成它的兩個(gè)熱源。由于熱輻射的原因，磁芯產(chǎn)生熱量的大部分直接散發(fā)到周?chē)諝庵?/span>，而小部分熱量則先傳遞給線(xiàn)圈，然后再由線(xiàn)圈散發(fā)到空氣中。同樣，線(xiàn)圈產(chǎn)生的熱量也有相似的傳熱方式，即部分直接散熱到空氣，另一部分則先傳遞給磁芯，再散發(fā)到空氣。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源工作頻率的不斷提高，損耗(包括鐵心損耗和銅損)也在急劇增大。為了提高變壓器的功率密度和熱性能，以防止熱失效，除了需要研究其損耗減小技術(shù)(包括開(kāi)發(fā)具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體材料和線(xiàn)圈設計技術(shù))、封裝技術(shù)以及散熱技術(shù)外，還需積極研究包括熱模型以及溫度設計準則等熱設計技術(shù)。電源設計師應該針對變壓器的線(xiàn)圈設計技術(shù).散熱技術(shù)、創(chuàng )建熱模型，以及利用熱仿真軟件等，進(jìn)行深入的研究。
