2022年开关电源的可靠性热设计方案分析 .docx

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1、精品_精品资料_开关电源的牢靠性热设计分析时间： 2022-02-23 21:05:59 来源： 作者：1引言高功率密度是开关电源进展的方向之一,通过热设计尽可能削减电源内部产生的热量、削减 热阻以提高效率外、挑选合理的冷却方式是开关电源热设计的基本任务.开关电源除了电应力之外 ,温度是影响开关电源牢靠性最重要的因素.开关电源内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过肯定值时 ,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值时将导致元器件失效.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

2、= 结点温度 .为解决此问题可从两方面入手:1从电路结构上削减损耗,如采纳更优的掌握方式和技术,如高频软开关技术、移相掌握技术、同步整流技术等,另外就是选用低功耗的器件,削减发热器件的数目 ,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率.2 运用更有效的散热技术,利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括采纳散热器、风冷自然对流和强迫风冷 、液冷 水、油、热电致冷、热管等方法.在较大功率开关电源中的主要散热方式是强制风冷,因此提高强制风冷成效的技术就成了争论的重点.合理的风道设计和在散热器前端加入扰流片引入紊流可显著的提高散热成效.在尽量通过优化设计等方式而削减功率开关发热量的同时,一般仍需要通过散热

3、器利用传导、对流、辐射的传热原理,将器件产生的热量快速释放到四周环境中去,以削减内部热累积,使元件工作温度降低 .2开关电源的散热分析软件目前开关电源争论者用flotherm 或icepak电子系统散热仿真分析软件进行建模分析,但整个业界都仍停留在传统人力分析热的阶段.用软件做热设计是最近才在中国业界流行起来的,热仿真不是无的放失 ,只有数据和模型供应的越精确,结果才越能反应真实情形,它主要是起一个 指导作用 .现在的电源行业要求体积小型化,原先的凭体会来设计散热器远不能满意进展的需要.FLOTHERM 是一套由电子系统散热仿真软件先驱-英国 FLOMERICS 软件公司开发并广为全球各的电子

4、电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件,全球排名第一且市场占有率高达80%以上 .其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,供应热设计组件模型 ,依据这些组件模型可以快速建立机箱 ,插框 ,单板 ,芯片风扇 ,散热器等电子设备的各组成部分.FLOTHERM 采纳了成熟的 CFDComputationalFluid Dynamic 运算流体动力学和数值传热学仿真技术开发而成,同时它仍结合了 FLOMERICS 公司在电子设备传热方面的大量特殊体会和数据库,并拥有大量特的针对电子工业而开发的模型库 .应用 FLOTHERM 可以从电子系统应用的环境层、电子系统层、各电路

5、板及部件层直至芯片内部结构层等各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析 .它采纳先进的有限体积法处理结构,可以同时在三维结构模型中模拟电子系统的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量 ,其中对散热的三种状态可以完全独立分析 .对于国防领域常常遇到的多种冷却介质 如局部液冷 、有太阳辐射的户外设备和必需要考虑器件之间局部遮挡的高精度辐射散热运算等情形 ,FLOTH ERM 软件的求解器更有完善的处理才能 .FLOTHERM 强大的前后处理模块不但可以直接转换各类主流 MCAD 和EDA 软件设计好的几何模型以削减建立模型的时间 ,仍可

6、以将运算后的数据以温度场平面等势图和流体运动三维动画或报告等形式直观便利的显示出来 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_flotherm 软件基本可以分为前处理 ,求解 ,后处理三个部分 .前处理包括 project manager,drawing board和flogate.project manager 用于工程治理 ,物性参数 ,网格参数 ,运算参数的设定等 .drawing board供应一个可视化的建立机柜 ,插框,单板,芯片几何模型的界面和运算网格划分的工具 .通过在 projectmanager和drawingboard中的互动操作就可以完成具体的建摸操作.flog

7、ate是一个数据接口模块 ,它可以把单板的装配图文件 IDF 格式 导入 flotherm, 直接完成单板的建摸设计.求解器是 flosolve 模块,它可以完成模型瞬态及稳态的温度场和流场运算.后处理部分包括 Visulation,flomotion和table.Visulation 完成仿真运算结果的可视化显示flomotion 除了也可以用于可视化显示外,仍可以制作流场的动化显示 ,热分析模型的大量运算数据如某区域的平均温度,空气流量等都可以通过 table模块查询 .icepak是美国 fluent 公司通过集成 ICEM CFD 公司的网格划分及后处理技术而开发胜利的针对电子设备冷却

8、分析的专用热设计软件,具有以下优点 :1建模才能 :除了有矩形 ,圆形建摸外 ,仍有多种复杂外形模型,如椭球体 ,多面体 ,管道及斜坡等模型有 thin-conduction 模型.2网格技术 :有结构化 ,非结构化网格.有四周体,有四周体六面体混合网格.能够对复杂模型快速生成高质量网格.支持结构化和非结构化的non-conformal 网格.3求解器. FLUENT 求解器能够求解多种流体介质问题.能够求解结构化,非结构化网格问题,支持网格并行 .3散热设计的一些基本原就开关电源热设计的基本程序是:1第一明确设计条件,如电源的功耗、发热量、容许温升、设备外形尺寸、设备放置的环境条件等.2打算

9、电源的冷却方式 ,并检查是否满意温度条件.3分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计.4按热设计检查表进行检查,确定是否满意设计要求.4 印制电路板版的热设计从有利于散热的角度动身,印制板最好是直立安装,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肯定的规章:1对于采纳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.对于采纳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 .2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

10、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 . 3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,以便削减这些器件工作时对其它器件温度的影响.4对温度比较敏锐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叉布局.5电源内印制板的散热主要依靠空气流淌,所以在设计时要争论空气流淌路径,合理配置器件或印制电路板 .空气流淌时总是趋向于阻力小的的方流淌,所以在印制电路板上配置器件时,要防止在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的

11、配置也应留意同样的问题.5 电子芯片的热设计如何对产品进行热设计,第一我们可以从芯片厂家供应的芯片Datasheet为判定的基础 .下面将对Datasheet中和散热有关的几个重要参数进行说明.P 芯片功耗 ,单位 W 瓦.功耗是热量产生的直接缘由.功耗大的芯片 ,发热量也肯定大 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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固 ,系统死机 ,最终芯片烧毁 . Ta 环境温度 ,单位 .Tstg储备温度 ,单位 .芯片的储存温度 .Rja 结点到环境的热阻,

12、单位 /W.Rjc 结点到芯片壳的热阻,单位 /W jt-可以懂得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 .由于 IC 封装使测量无法接触到结点,因此直接测量 IC结温比较困难 .作为一种替代方法,可以利用结到外壳的热阻 JC和外壳到外部环境的热阻CA 运算结温 ,如图 1所示 .在确定 IC 的结温时 ,热阻是最重要的参数 :JA= JC+ CA.图1.利用热阻运算 IC 结温的热状态电模型随着热设计的重要性不断提高,大部分的芯片资料都会供应供应Tj 、Rjc 、P等参数 .基本公式如下 :Tj=Tc+RjcP只要保证 T

13、j Tjmax 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 .如何判定芯片是否需要增加散热措施:1搜集芯片的散热参数 .主要有 :P、 Rja、Rjc 、Tj 等2运算 Tcmax:Tcmax=Tj-RjcP3运算要达到目标需要的Rca:Rca Tcmax-Ta/P 4运算芯片本身的Rca :Rca =-RRjjca假如 Rca大于Rca说,明不需要增加额外的散热措施.假如 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不能用于精确的运算芯片的温度,所以这种方法只能用于简洁的判定.而

14、不能用于最终的依据 .如UC3842A 、UC3843A 热特性 :6 PCB表面贴装电源器件的散热设计以Micrel 公司表贴线性稳压器为例,介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作 .1系统要求 :VOUT=5.0V . VINMAX=9.0V.VINMIN=5.6V.IOUT=700mA .运行周期 =100% .TA=50依据上面的系统要求挑选750mAMIC2937A-5.0BU稳压器 ,其参数为 : VOUT=5V 2% 过热时的最坏情形TJMAX=125 .采纳TO-263 封装 , JC=3 /W . CS0/W 直接焊接在电路板上 . 2初步运算 :V

15、OUTMIN=5V-5 2%=4.9V可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_PD=VINMAX-VOUTMIN+IOUT+VINMAXI=9V- 4.9V 700mA+9V 15mA=3W温度上升的最大值 ,T=TJMAX -TA=125 -50 =75.热阻 JA最 坏情形 : T/PD=75 /3.0W=25 /W.散热器的热阻 ,SA=JA- JC+CS. SA=25-3+0=22 /W 最大 . 3打算散热器物理尺寸 :采纳一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料掩盖的散热铜箔,并采纳 1.3M/ 秒的空气散热的方案相比较,后者的散热成效最好 .采纳实线

16、方案 ,保守设计需要 5,000mm2的散热铜箔 ,即71mm 71mm 每边长 2.8英寸 的正方形.4采纳 SO-8和SOT-223封装的散热要求 :在下面的条件下运算散热面积大小:VOUT=5.0V .VINMAX=14V.VINMIN=5.6V.IO UT=150mA .占空比 =100%.TA=50 .在答应的条件下 ,电路板生产设备更简洁处理双列式SO-8封装的器件 .采纳 MIC2951-03BMSO-8封装 ,可以得到以下参数:TJMAX=125 . JC 100/W.5运算采纳 SO-8 封装的参数 :PD=14V-5V150mA+14V 8mA=1.46W .上升的温度 =

17、125 -50=75 .热阻 JA最 坏的情形 : T/PD=75 /1.46W=51.3 /W. SA=51-100=-49 /W 最大 .明显 ,在没有致冷条件下,SO-8不能满意设计要求.考虑采纳 SOT-223封装的 MIC5201-5.0BS调压器 ,该封装比 SO-8小,但其三个引脚具有很好的散热成效.选用 MIC5201-3.3BS,其相关参数如下 :TJMAX=125 SOT-223的热阻 JC=15 /W CS=0 /W 直接焊在线路板上的 .6运算采纳 SOT-223封装的结果 :PD=14V-4.9V150mA+14V 1.5mA=1.4W上升温度 =125 -50 =7

18、5.热阻 JA最 坏的情形 : T/PD=75 /1.4W=54 /W . SA=54-15=39 /W 最大 .依据以上的数据 ,采纳 1,400mm2 的散热铜箔 边长 1.5英寸的正方形 可以满意设计要求 .以上的设计结果可以作为粗略的参考,实际设计中需要明白电路板的热特性,得出更精确、满意实际设计的结果 .下表列出了一般表面安装的热阻额定值,详见数据手册 .表8典型的表面安装的热阻单位 : /W封装 RjaRjc SOD123340150 SOT2355675 SOT2231597.5 SO-86321 SMB13可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_SMC11 DPAK80

19、6 D2PAK5027 强迫风冷散热方式的分析通常条件下 ,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淌传递热量,而辐射无需借助任何媒介 ,是发热体直接向四周空间释放热量.强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上,但是要增加风机、风机电源、联锁装置等,这不仅使设备的成本和复杂性增加 ,而且使系统的牢靠性下降 ,另外仍增加了噪声和振动 ,因而在一般情形下应尽量采纳自然冷却 ,而不采纳风冷、液冷之类的冷却方式 .高频变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升 .从体会来看 ,尽量保证磁体损耗和线圈铜损的相同 ,可使

20、高频变压器的整体功耗最小 ,减小发热量 .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 .假如将温度等效为电压,将功率等效为电流,就图 1所示的热模型类似于欧姆定律,V=I*R欧姆定律 散热的运算有一个最基本的公式:温差 =功耗 热阻T=P* 热TJ=PD*JC模型+ CA+TA在使用散热器的

21、情形下,散热器与四周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肯定的温差,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肯定的热阻.热阻的单位为 /W. 挑选散热器时 ,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 . 从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的, 凡是有温度差存在时,就必定发生热从高 温处传递到低温处 ,这是自然界和工程技术领域中极普

22、遍的一种现象.而热传递的方式有三种: 辐射、对流、传导 ,其中以热传导为最快.我们要争论的风冷散热,实际上就是强制对流散热. 对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热导热介质,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. 风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程. 对流换热即受导热规律的支配, 又受流体流淌规律的支配,属于一种复杂的传热过程,表现在对流换热的影响因素比 较 多 . 1 按 流 体 产 生 流 动 的 原 因 不 同 , 可 分

23、为 自 然 对 流 和 强 制 对 流 .2 按流淌性质来区分 ,有层流和紊流之别 .流体从层流过渡到紊流是由于流淌失去稳固性的结 果 . 一 般 以 雷 诺 数 Re 的 大 小 , 作 为 层 流 或 紊 流 的 判 断 依 据 . 3 流体的物性对对流换热的影响 .例如 ,粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等 ,它们随 流 体 不 同 而 不 同 , 随 温 度 变 化 而 变 化 , 从 而 改 变 对 流 换 热 的 效 果 . 4 换 热 表 面 的 几 何 条 件 对 对 流 换 热 的 影 响 . 其 中 包 括 : a 管 道 中 的 进 口 、 出 口 段 的 长 度

24、, 形 状 以 及 流 道 本 身 的 长 度 等 .b 物 体 表 面 的 几 何 形 状 , 尺 寸 大 小 等 .c 物 体 表 面 , 如 管 道 壁 面 、 平 板 表 面 等 的 粗 糙 程 度 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_d物 体 表 面 的 位 置 平 放 、 侧 放 、 垂 直 放 置 等 以 及 流 动 空 间 的 大 小 . 5流体物态改变的影响.6换 热 面 的 边 界 条 件 , 如 恒 热 流 、 恒 壁 温 等 , 也 会 影 响 对 流 换 热 .7风量和温度的关系TTa+1.76P/Q式中Ta-环境温度,P-整机功率,WQ-风扇的风量,C

25、FM T-机 箱 内 的 温 度 , 举 一 个 电 路 设 计 中 热 阻 的 计 算 的 例 子 : 设计要求 :芯片功耗 :20 瓦,芯片表面不能超过的最高温度:85 ,环境温度 最高:55 运算所需散热器的热阻. 实 际 散 热 器 与 芯 片 之 间 的 热 阻 很 小 ,取0.1 /W作 为 近 似 . 就R+0.1 20W=85-55得到R=1.4/W只有当挑选的散热器的热阻小于1.4 /W时才能保证芯片表面温度不会超过85 .使用风扇能带走散热器表面大量的热量,降低散热器与空气的温差,使散热器与空气之间的热 阻 减 小 . 因 此 散 热 器 的 热 阻 参 数 通 常 用 一

26、 张 表 来 表 示 . 如 下 例 : 风速英尺/秒热阻/W 03.51002.82022.33002.04001.8功率元件的散热方式是关键.开关电源一般采纳空气冷却或者水冷. 在功率较小时 ,采纳空气冷却就能够满意要求.在功率较大时 ,就需要在散热器中通水,利用水流带走热量 ,由于散热器一般都有不同的电位,所以必需采纳绝缘强度较好的水, 一般采纳纯洁水,它比一般蒸馏水的 离子含量仍要低.在水路的循环系统中,一般仍要加离子树脂交换器,由于散热器上的金属离 子会 不 断的 溶解 到 水中 ,这 些 离 子 需要 被 吸附 清 除. 应当说 ,从散热的角度来说,水冷是特别抱负的 .但是 ,水循

27、环系统工艺要求高,安装复杂 ,保护工作量大 ,而且一旦漏水 ,会带来安全隐患 . 所以,能够用空气冷却解决问题的场合,就不要采纳水冷. 空气冷却能够从设备中带出来的热量,与有效散热面积的大小有关系, 散热面积越大 ,能够带走 的 热 量 就 越 多 . 元 器 件 的 数 目 越 多 , 散 热 的 面 积 就 越 大 , 空 气 冷 却 的 效 果 就 越 好 . 电力电子元件的热量依据如下方式传导:沿散热器表面散开 ,再沿表面传递到散热片上,被空气带走 .沿散热器表面散开的面积是特别有限的,离开元件较远处,已经基本感受不到热量, 所以把散热器表面做大到肯定程度, 对散热成效的增加已经没有意

28、义.对于散热器的齿片也是一 样,齿根处温度较高 ,齿尖处只有很少的热量到达 ,所以增高齿片到肯定程度 ,对散热也毫无用处.所以 ,要解决大功率产品的空气冷却问题,唯独有效的方法是,利用很多的元器件,均摊热量 , 增大有效的散热面积.当然 ,采纳功耗较小的新一代元器件,或者采纳热阻较小的新式散热器,也可以使空气冷却的 电源功率更大. 关于电源散热的另外一个问题是,把热量从电源内部带出来以后, 如何耗散在大气中 .对于水冷装置 ,需要在室外安装一个水-空冷装置 ,把热水变成凉水 .对于空气冷却的装置 ,假如散热量可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_较大 ,需要安装风道 ,把热空气直接排

29、出室外 ,否就 ,热空气会在室内集合 ,造成室温上升 .以前有的用户考虑用室内空调机降温 ,事实证明在大功率电源应用中 , 需要较大的空调配置 ,是不经济的. 降低热阻 ,提高对流换热的途径主要有 : 加大散热器尺寸或者增加散热片数量以加大散热面积 .采纳更大尺寸或拥有更强风力的风机增大空气流速以增大 .引入紊流以增强局部对流来增大 等.通常情形下 ,选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境介质的热阻 ,但散热面积的增加和风机风量的提高均受装置体积、重量以及噪音指标等限制 .由于电力电子器件的小型化和轻量化的进展趋势,在散热器和风机参数肯定的条件下,通 过 合 理 的

30、风 道 设 计 , 在 散 热 器 表 面 流 场 引 入 紊 流 是 改 善 散 热 的 又 一 有 效 途 径 . 合理的风道设计一般要求引导风扇气流冲击散热器表面,适当的转变气流在散热器表面的流 动方向以在散热器邻近流场中形成大的扰动, 从而形成广泛的紊流区, 加强散热成效 ,如在散热器前端加入扰流片等方法.同时不应使气流压头缺失过大,流速下降过多 ,以免降低散热成效 . 事 实 上 这 两 方 面 往 往 存 在 矛 盾 , 所 以 应 综 合 权 衡 , 尽 量 最 优 . 风 扇出 风口与 散热 器间的 距离 对模 块散热 的影 响研 究在强迫吹风冷却情形下,由于风扇旋涡swirl

31、存在 ,散热器与风扇间的距离对其流场匀称度影响较大 ,理论上 ,当散热器与风扇间的距离足够大时,风扇旋涡 swirl对流场的影响较小 ,然而在产品设计中 , 由于体积的限制 ,不行能答应散热器与风扇间的距离太大,换句话说 ,风扇旋涡swirl对散热的影响是肯定存在的,利用 FLOTHERM热仿真分析软件 ,通过合理掌握热设计冗余 ,力 求得 出一 个 较合 理 的 风 扇 与散 热 器的 距离 . 在实际应用中 ,受到产品本身结构布置、外形尺寸等相关因素的限制,冷却风扇与散热器间的 距离不行能得到任意满意. 那么 ,如何合理、经济的确定风扇与散热器间距离的大小,如何平稳诸多因素间的冲突了.我们

32、必需从引起该结果差异的缘由中进行分析,找出一个折衷的方 法来较为合理、经济的确定该距 离 的 大 小 . 认真分析造成流场不匀称的缘由 ,其关键的因素就是 :一方面 ,由于实际风扇中 HUB 的存在 , 使冷却风从风扇环形的截面吹出 ,从而在风扇 HUB 的下游区域形成不匀称的流场分布.另一方面 ,轴流风扇的工作原理迫使流经该风扇出口截面的流体,呈旋转状态流向下游.实际上 ,在保证流体流出风扇后肯定距离的情形下,这种旋转成效是能够促进流体间的混合,从而形成一个比较匀称的流场分布,当风扇距散热器为一个风扇的HUB直径时 ,由于 HUB存在而导致的不匀称流场可以得到较大程度上的改善,虽然流场分布仍

33、是存在肯定程度上的不匀称,但是表现在散热器上功率元器件的壳温,却没有显著的变化,从而形成这一渐近的变化趋势曲线. 由此我们可以得出以下结论: a 风扇强迫吹风冷却时, 在冷却风扇出口下游处,造成流场不匀称的主要因素主要是风扇HUB的 存 在 ,其 次 才 是 流 体 流 经 轴 流 风 扇 后 的 旋 转 效 应 . b 该结构设计上 ,为了能够获得散热器的最大散热才能,我们必需要保证冷却风扇出口截面与 散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径 .但是,一旦该距离超过一个风扇的外形直径后, 对下游流场匀称程度的奉献已经微乎其为, 可以不用考虑该因素造成影响散热器散热才能这一因素. c 假如在

34、结构设计上 , 无法保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇 HUB 的 直 径 , 就 必 须 要 求 在 风 扇 与 散 热 器 间 安 装 整 流 栅 . 在电力电子行业中 ,由于存在着大量的功率元器件 ,因此强迫风冷冷却在该行业得到广泛的应用. 由于该行业产品自身的特点及其主要的应用环境,电源模块或系统在选用强迫冷却这种散 热方式时 ,轴流风扇得到广泛的应用.由于轴流风扇的工作原理是通过电机工作, 带动与其相连的叶片使叶片以电机给定的转速进行旋转,从而在叶片的前后产生肯定的压差,驱动叶片周围的空气沿电机轴这一固定的方向进行运动. 因此 , 轴流风扇具有压头底、流量大等特点.

35、 通可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_常人们在选用轴流风扇时,也仅仅考虑了上述的几个特点,忽约了轴流风扇叶片旋转而给被迫 产生流淌的空气造成的一系列影响.实际上 ,通过轴流风扇的流体并不完全是沿电机轴这一单方向进行运动的,在与电机轴垂直的风扇叶片截面上也有一速度运动重量.因此 , 通过轴流风扇驱动的流体实际上是以电机轴为轴线,向前旋转运动着的流淌流体. 在轴流风扇出口处 , 流体的实际流动方向如下图所示:图1、风扇出口处流体的实际流动方向如前所述 ,通过轴流风扇出口处的流体实际上是沿轴心旋转向前流淌的流体, 那么风扇的实际旋 转 方 向 对 其 后 的 流 场 电 源 内 部 的

36、 被 冷 却 区 域 有 什 么 影 响 了 . 总结风扇供应商所供应的相关数据,我们可以得到如下简洁的确定风扇旋转方向对流场影响的方法 :依据左手旋转原就 ,大拇指的方向为流体的宏观流向, 其余四指的弯曲方向为风扇出口处流场的旋转方向.在功率元器件的布局时,依据左手螺旋原就,只要我们把关键元器件布 置在四弯曲拇指的方向,就能完全防止因风扇旋转方向而造成元器件散热的不利影响. 当然了 ,以上的分析只适用于采纳轴流风扇进行强迫吹风冷却的场合. 对于抽风冷却情形 , 由于风扇出风口流场的变化对其进风口没有什么影响,因此风扇旋转方向对模块内部的散热是没有影响的. 举 例 :单 相 输 入 有 功 率

37、 因 数 校 正3000W开 关 电 源 的 散 热 设 计良好的散热方式可有效的减小整机体积,达到合理的功率密度 ,依据本工程要求散热主要采纳强迫风冷方式 .在强迫风冷的条件下 ,电源装置的温升与单位时间内流经电源装置的风量关系重大 ,因些应当使电源结构有通畅的风道,减小静压缺失 ,其次 , 应当尽可能使发热量高的部件靠近风流最快的区域,增强热交换率 ,例如热沉、变压器、开关管等应当优先考虑, 最终 ,仍应考虑结构对风扇的影响,进气口应尽可能宽畅,出气口也应削减障碍物,否就可能会转变正常 的风扇风流方向及大小,影响风道的作用. 经过具体认真的分析争论,本电源采纳下面的整体布局,主板、升压电感

38、、主变压器、输出滤 波电感均固定在一整体散热器上,升压电感、主变压器、输出滤波电感成一排固定在散热器上半部 ,主板固定在散热器下半部: 主板上的功率器件如功率开关管、输出整流管通过钢板压条固定在散热器上 ,主板上半部放置低元器件、下半部放置高元器件,风扇放置在散热器前中上位置并固定在前面板上,采纳前进风后出风方式.通过以上设计使电源有一良好风道并使主要发热元件均在高风速范畴内, 达到了很好的散热成效 ,明显提高了电源牢靠性.8 风扇的选择风扇是风冷散热器中必不行少的组成部分,对散热成效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打算性的影响.风扇在散热中的职责

39、为: 凭借自身的导流作用 ,令空气以肯定的速度、肯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. 在不转变散热器结构与其它组成部分的情形下,仅仅是更换更加合适、强劲的风扇,也可以令散热成效获得大幅度的提升.反之,假如风扇搭配不合适或不够强劲 ,就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独的确“工作 ”的部分

40、 ,它本身的故障也就会导致散热器整体的故障 ,令其丢失大部分的散热性能,进而引起系统的不稳固或当机,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M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、寿命起着重要的打算性作用,实际选购风扇时必需加以留意.通常可依据性能、噪可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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 ,含油轴承是唯独的挑选,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

41、.2. 性能强悍 ,寿命长 ,价格不高,滚珠轴承是不二之选,但需忍耐其工作时产生的较大噪音.3.性能与噪音都没有特别要求,但期望寿命长 ,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的选,只要资金充分择,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 、S

42、ANYO 、PAPST 、NMB 和 Nidec 等. 如下图:热器的应用热阻模型9 铝合金型材电子散91散热器的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.散热器通常采纳铜或铝 ,虽然铜的热导率比铝高2 倍但其价格比铝高得多,故目前采纳铝材料的 情形较为普遍 .通常来讲 ,散热器的表面积越大散热成效越好.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:PcmaxTa=Tjmax-Ta/ j-aW-1PcmaxTc=Tjmax-Tc/ j-cW-2Pc:功率管工作时损耗Pcmax:Tj:功功率管率的额管定最大节损耗温Tjmax:功率管最大容许节温Ta:Tc:预定环的工境作环温境温度度 s:绝缘垫热阻抗 c:接 触 热 阻 抗 半 导 体 和 散 热 器 的 接 触 部 分 f:散热器的热阻抗散热器与空气 i:内部热阻抗