开关电源的可靠性热设计分析

热传递的速度很重要,但是吸收热量能力低也不利于散热,这里又引入了比热容的概念.
定义:单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度,单位为卡/(千克×°C),数值越大代表物体容纳热量的能力越大.
材料比热(卡/(千克×°C))
水1000
铁113
铝217
铜93
铅31
银56
根据上表得知,水比热容最高,比金属有更强的热容能力,这也是水冷散热器赖以生存的根本.值得注意的是,铝的比热容不低于铜,这就是为什么纯铜散热器的散热效能并没有大幅超出铝质散热器的原因.
热传导系数与比热值体现的是材料本身的特性.但是一款散热器散热性能的好坏,也要受到自身设计结构的影响.而体现这方面整体性能的参数,就要依靠热阻与风阻两个概念了.同时,散热器的体积与重量也不可忽视.
之三:热阻
热阻,英文名称为thermal resistance,即物体对热量传导的阻碍效果.热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿——℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差.以散热器而言,导热路径的两端分别是发热物体(如CPU等)与环境空气.
散热器热阻＝(发热物体温度-环境温度)÷导热功率.
散热器的热阻显然是越低越好——相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低.但是,决定热阻高低的参数非常多,与散热器所用材料、结构设计都有关系.
必须注意:上述公式中为“导热功率”,而非“发热功率”.因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失,任何与发热物体接触的低温物体(包括空气)都可能成为其散热路径,甚至还可以通过热辐射的方式散失热量.所以,当环境或发热物体温度改变时,即使发热功率不变,由于通过其它途径散失的热量改变,散热器的导热功率也可能发生较大变化.如果以发热功率计算,就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象.
散热器(不仅限于风冷散热器,还可包括被动空冷散热片、液冷、压缩机等)所标注的热阻值根据测试环境与方法的不同可能存在较大差异,而与用户实际使用中的效果也必然存在一定差异,不可一概而论,应根据具体情况分析.
虽然型材散热器已有了相应的国家标准(GB742312287) ,但其中的自然对流和强迫风冷条件下的热阻关系曲线均为实验数据整理所得, 而在实际应用中影响散热器热阻的因素比较多,实验数据与实际应用有一定误差.如何综合考虑这些因素, 使得在一定工作条件下散热器的热阻最小, 也是工程设计中迫切需要解决的问题.因此, 对散热器进行优化设计也就非常必要.散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题,其目标函数是散热器与环境之间的热阻,设计变量是设计者可选择的参数(肋高、肋长、肋厚、肋片数目、肋片形状、肋片材料等) .
风阻
风冷散热器的散热片需要仰仗风扇的强制导流才可发挥完全的性能,实际通过的有效风量与散热效果关系密切,而散热片会对风量造成影响的指标就是“风阻”了.
风阻,正如其名,是物体对流过气流的阻碍作用,但却不能如电阻、热阻般用具体数值来衡量.通常,以风量与进/出口压强差绘制出压强-流量曲线(P-Q曲线),这条曲线便是散热器对通过气流的阻碍效果——相同压强差下,风阻越小,风量越大;相同风量下,风阻越大,压强差越大.
那么风阻是否越小越好呢?如果能保证有效散热面积,当然!可惜,散热片的有效散热面积与风阻往往不能两全,在提高有效散热面积的同时,难免增大风阻,在散热片结构设计过程中就需要进行权衡了.散热片设计一旦确定,风阻(P-Q曲线)也就基本确定下来,我们能够做的,只有为它选配合适的风扇,令其发挥出设计应有性能了.为散热片搭配合适的风扇,需结合散热片阻抗(风阻)曲线与风扇特性曲线进行分析.
目前散热片主要采用Extruded(挤压技术);Skiving(切割技术);Fold FIN(折叶技术);Forge(锻造技术),四种制造技术.顾名思义,切割技术其实就是把一块块的金属,用专用切割机切出散热片来.使用这种切割技术加工的散热片将会很薄和很精密,这样就会有效地增加散热面积.和挤压技术一样,切割技术也很适合铝材,因为铝材的重量和密度上都有着轻便和相对较低的特点,这样的材料就很适合其散热器制造和任意改良散热器.而采用铜材质的散热器切割起来就多一些难度,对技术要求较高.
常见导热材料传导、密度系数表:

散热器的制作材料在很大程度上决定了散热器性能的高低.很多工程师认为使用金、银作为散热器制作材料会大大提升散热效果,但从上表中我们可以看到,热传导系数最高的并不是人们想象的金属元素而是非金属,而且金、银的导热能力可不是十分突出.
在金属单体中,铜的热传导系数与银十分接近,而金的热传导率却要远小于铜,而且金银的价格昂贵,不适合大批量制作散热器.我们常见的散热器经常使用铜、铝.除了其导热能力相对较好,材料成本比较低外,其加工相对容易,方便大批量生产也是一个重要的因素.铜的热传导率约是铝的1.69倍,采用铜制散热器从理论上会比铝制散热器散热效果更好.但是铝的密度比铜低很多,所以一般来说,采用铝为原料制作散热片比较容易加工.
常见材料的热导系数如下:

常见材料的TCE(热膨胀系数)值如下:

各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域.列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用.ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及ADC12.AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片.根据已知的工艺-材料-结构关系式,应该选用能够提供最大经济效益的材料.6063合金的历史和最新发展表明,它将是散热器功能材料领域上最有力的竞争者.
6063铝合金散热器以热阻特性值为基本判据的电力半导体器件用特殊机械产品,因此作为散热器挤压型材以及合金的潜在性能,具有以下特点:
1)具有较好的可挤压性,以能适应各种形状散热器表面积要求;
2)良好的机加工性能;
3)适宜的力学性能,尤其是机械强度和蠕变的性能以及物理性能;
4)具有吸引力的商品外观,一定的耐蚀性,以及阳极化着色的处理的能力.
铝合金型材散热器从冷却方式上分为自然冷却和强迫风冷.从结构上分为电子元件型、平板晶闸管型、螺栓晶体管型、功率模块型等.散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑粉末喷涂处理后,进一步提高产品的耐腐蚀性、耐磨性,其散热量在自然冷却下提高10%~15%,在强迫风冷下提高30%,电泳涂漆后表面可耐压500V~800V.
在元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部,散热器采用氧化发黑工艺处理,以提高辐射率.散热片的吸热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底设计.而黑色有很好的吸热性能.另外喷涂三防漆后会影响散热效果,需要适当加大裕量.散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面涂上硅脂以提高导热率.一般散热器厂商提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可以根据计算出的热阻求出所需散热器的表面积、长度、重量.
常见的导热油脂包括两种:人工合成的无硅散热油脂和含硅的散热油脂;常见的散热片如下图: 电抗器相关文章:电抗器原理