开关电源的可靠性热设计分析
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8 风扇的选择
风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分,对散热效果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决定性的影响.风扇在散热中的职责为:凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一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.在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下,仅仅是更换更加合适、强劲的风扇,也可以令散热效果获得大幅度的提升;反之,如果风扇搭配不合适或不够强劲,则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一确实“工作”的部分,它本身的故障也就会导致散热器整体的故障,令其丧失大部分的散热性能,进而引起系统的不稳定或当机,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、纳米陶瓷轴承等,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、寿命起着重要的决定性作用,实际选购风扇时必须加以注意.通常可根据性能、噪音、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,含油轴承是唯一的选择,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.
2.性能强悍,寿命长,价格不高,滚珠轴承是不二之选,但需忍受其工作时产生的较大噪音.
3.性能与噪音都没有特殊要求,但希望寿命长,价格不高,来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择.
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,只要资金充足,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、SANYO、PAPST、NMB和Nidec等.如下图:
9 铝合金型材电子散热器的应用
9．1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下图所示:
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.
9．2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.如下图所示:
⑤散热器表面积计算:
S=0.86W/(ΔT*α)
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
9．3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.
散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意.目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数:
金317 W/mKAA6061型铝合金155 W/mK
银429 W/mKAA6063型铝合金201 W/mK
铝 237 W/mKADC12型铝合金96 W/mK
铁48 W/mKAA1070型铝合金226 W/mK
铜401 W/mKAA1050型铝合金209 W/mK
材料的导热性能
之一:热传导系数
由于热传导是散热器有效运作的两大方式之一,因此,散热片材料的热传递速度就是其中最关键的技术指标,理论上称作热传导系数.
定义:每单位长度、每度K,可以传送多少瓦数的能量,单位为W/mK.即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K＝1℃)时的热传导功率.数值越大,表明该材料的热传递速度越快.
热传导系数自然是越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格.热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作计算机空冷散热片.铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件,在电源相关散热片中使用较少,但近两年随着对散热设备性能要求的提高,越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料.铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐.但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,寄此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择.
之二:比热容 电抗器相关文章:电抗器原理
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