開關(guān)電源的可靠性熱設(shè)計(jì)分析
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8 風(fēng)扇的選擇
風(fēng)扇是風(fēng)冷散熱器中必不可少的組成部分,對散熱效果起著至關(guān)重要的作用,是散熱器中唯一的主動(dòng)部件;同時(shí),更對散熱器的工作噪音有著決定性的影響.風(fēng)扇在散熱中的職責(zé)為:憑借自身的導(dǎo)流作用,令空氣以一定的速度、一定的方式通過散熱片,利用空氣與散熱片之間的熱交換帶走其上堆積的熱量,從而實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)制對流”的散熱方式.
散熱片即使結(jié)構(gòu)再復(fù)雜,也只是一個(gè)被動(dòng)的熱交換體;因此,一款風(fēng)冷散熱器能否正常“工作”,幾乎完全取決于風(fēng)扇的工作狀態(tài).在不改變散熱器結(jié)構(gòu)與其它組成部分的情況下,僅僅是更換更加合適、強(qiáng)勁的風(fēng)扇,也可以令散熱效果獲得大幅度的提升;反之,如果風(fēng)扇搭配不合適或不夠強(qiáng)勁,則會(huì)使風(fēng)冷散熱器效能大打折扣,令散熱片與整體設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)被埋沒于無形;更有甚者,由于風(fēng)扇是風(fēng)冷散熱器中唯一確實(shí)“工作”的部分,它本身的故障也就會(huì)導(dǎo)致散熱器整體的故障,令其喪失大部分的散熱性能,進(jìn)而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定或當(dāng)機(jī),甚至因高溫而燒毀設(shè)備.
風(fēng)扇可分為:含油軸承、單滾珠軸承、雙滾珠軸承、液壓軸承、來福軸承、Hypro軸承、磁懸浮軸承、納米陶瓷軸承等,下面是其性能比較表由表中可以看出,軸承技術(shù)對風(fēng)扇的性能、噪音、壽命起著重要的決定性作用,實(shí)際選購風(fēng)扇時(shí)必須加以注意.通?？筛鶕?jù)性能、噪音、壽命以及價(jià)格四方面要求綜合考慮:
1.性能不高,噪音小,價(jià)格低,含油軸承是唯一的選擇,但壽命較短,使用一段時(shí)間后噪音可能會(huì)逐漸增大,需做好維護(hù)或更換的心理準(zhǔn)備.
2.性能強(qiáng)悍,壽命長,價(jià)格不高,滾珠軸承是不二之選,但需忍受其工作時(shí)產(chǎn)生的較大噪音.
3.性能與噪音都沒有特殊要求,但希望壽命長,價(jià)格不高,來福、Hypro軸承等含油軸承的改進(jìn)型均是值得考慮的選擇.
4.性能好,噪音低,壽命長,如此便不能對價(jià)格提出進(jìn)一步的要求了,只要資金充足,液壓、精密陶瓷等特色軸承技術(shù)都可列入選擇范圍之內(nèi).
5.對靜音與壽命要求極高,磁懸浮軸承是僅有的選擇,只是性能不佳,價(jià)格過高.
目前,AC/DC系列風(fēng)扇品牌包括SUNON、ADDA、SANYO、PAPST、NMB和Nidec等.如下圖:
9 鋁合金型材電子散熱器的應(yīng)用
9．1散熱器的熱阻模型
由于散熱器是開關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價(jià)格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如下圖所示:
半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示:
Pcmax(Ta)= (Tjmax-Ta)/θj-a (W) -----------------------(1)
Pcmax(Tc)= (Tjmax-Tc)/θj-c (W) -----------------------(2)
Pc: 功率管工作時(shí)損耗
Pc(max): 功率管的額定最大損耗
Tj: 功率管節(jié)溫
Tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫
Ta: 環(huán)境溫度
Tc: 預(yù)定的工作環(huán)境溫度
θs : 絕緣墊熱阻抗
θc : 接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)
θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)
θi : 內(nèi)部熱阻抗(PN結(jié)接合部與外殼封裝)
θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)
根據(jù)圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:
θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
又因?yàn)?theta;b比θs +θc+θf大很多,故可近似為:
θj-a=θi+θs +θc+θf --------------------------------------------- (4)
①PN結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗) θi是由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān).每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗.
②接觸熱阻抗θc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會(huì)對它產(chǎn)生影響.當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時(shí)就會(huì)增大接觸熱阻抗θc.在半導(dǎo)體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積,排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導(dǎo)熱性,可以大大降低接觸熱阻抗θc.
9．2散熱器熱阻抗θf
散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān).因此一般都會(huì)設(shè)法增強(qiáng)散熱器的散熱效果,主要的方法有增加散熱器的表面積、設(shè)計(jì)合理的散熱風(fēng)道、增強(qiáng)散熱器表面的風(fēng)速.散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)值如下圖所示:
但如果過于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過于密集則會(huì)影響到空氣的對流,熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì)降低散熱效果.自然風(fēng)冷時(shí)散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大,選擇強(qiáng)制風(fēng)冷則可適當(dāng)減小叉指間距.如下圖所示:
⑤散熱器表面積計(jì)算:
S=0.86W/(ΔT*α)
ΔT: 散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度(Ta)的差(℃)
α: 熱傳導(dǎo)系數(shù),是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速?zèng)Q定.α由下式?jīng)Q定.
α=Nu*λ/L ()
λ:熱電導(dǎo)率(Kcal/m2h)空氣物理性質(zhì)
L:散熱器高度(m)
Nu:空氣流速系數(shù).由下式?jīng)Q定.
Nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr
V:動(dòng)粘性系數(shù)(m2/sec),空氣物理性質(zhì).
V’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)
Pr: 系數(shù),見下表
9．3發(fā)熱元件的布局
開關(guān)電源中主要發(fā)熱元件有大功率半導(dǎo)體及其散熱器,功率變換變壓器,大功率電阻.發(fā)熱元件的布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小,由小到大排列,發(fā)熱量越小的器件越要排在開關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處,發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇.
為了提高生產(chǎn)效率,經(jīng)常將多個(gè)功率器件固定在同一個(gè)大散熱器上,這時(shí)應(yīng)盡量使散熱片靠近PCB的邊緣放置.但與開關(guān)電源的外殼或其它部件至少應(yīng)留有1CM以上的距離.若在一塊電路板中有幾塊大的散熱器則它們之間應(yīng)平行且與風(fēng)道的風(fēng)向平行.在垂直方向上則發(fā)熱小的器件排在最低層而發(fā)熱大的器件排在較高處.發(fā)熱器件在PCB的布局上同時(shí)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對溫度敏感的元器件,如電解電容等.
散熱片的制造材料是影響效能的重要因素,選擇時(shí)必須加以注意.目前加工散熱片所采用的金屬材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù):
金317 W/mKAA6061型鋁合金155 W/mK
銀429 W/mKAA6063型鋁合金201 W/mK
鋁 237 W/mKADC12型鋁合金96 W/mK
鐵48 W/mKAA1070型鋁合金226 W/mK
銅401 W/mKAA1050型鋁合金209 W/mK
材料的導(dǎo)熱性能
之一:熱傳導(dǎo)系數(shù)
由于熱傳導(dǎo)是散熱器有效運(yùn)作的兩大方式之一,因此,散熱片材料的熱傳遞速度就是其中最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),理論上稱作熱傳導(dǎo)系數(shù).
定義:每單位長度、每度K,可以傳送多少瓦數(shù)的能量,單位為W/mK.即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文(1K＝1℃)時(shí)的熱傳導(dǎo)功率.數(shù)值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快.
熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好,但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格.熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀,由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價(jià)格過于昂貴而無法廣泛采用;鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低,無法滿足高熱密度場合的性能需要,不適合用于制作計(jì)算機(jī)空冷散熱片.銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高,可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件,在電源相關(guān)散熱片中使用較少,但近兩年隨著對散熱設(shè)備性能要求的提高,越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料.鋁作為地殼中含量最高的金屬,因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞.但由于純鋁硬度較小,在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金,寄此獲得許多純鋁所不具備的特性,而成為了散熱片加工材料的理想選擇.
之二:比熱容 電抗器相關(guān)文章:電抗器原理
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