開關電源的可靠性熱設計
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
T = P*(熱模型)
TJ = PD * ( JC +CA) + TA
在使用散熱器的情況下,散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的阻力稱為熱阻,散熱器與空氣之間熱流的大小用芯片的功耗來代表,這樣熱流由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在,在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差,就像電流流過電阻會產(chǎn)生電壓降一樣.同樣,散熱器與芯片表面之間也會存在一定的熱阻.熱阻的單位為℃/W.選擇散熱器時,除了機械尺寸的考慮之外,最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻.熱阻越小,散熱器的散熱能力越強.
從熱力學的角度來看,物體的吸熱、放熱是相對的,凡是有溫度差存在時,就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處,這是自然界和工程技術領域中極普遍的一種現(xiàn)象.而熱傳遞的方式有三種:輻射、對流、傳導,其中以熱傳導為最快.我們要討論的風冷散熱,實際上就是強制對流散熱.
對流換熱是指流體與其相接觸的固體表面或流體,而這具有不同溫度時所發(fā)生的熱量轉移過程.熱源將熱量以熱傳導方式傳至導熱導熱介質,再由介質傳至散熱片基部,由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風扇與空氣分子進行受迫對流,將熱量散發(fā)到空氣中.風扇不斷向散熱片吹入冷空氣,流出熱空氣,完成熱的散熱過程.
對流換熱即受導熱規(guī)律的支配,又受流體流動規(guī)律的支配,屬于一種復雜的傳熱過程,表現(xiàn)在對流換熱的影響因素比較多.
1)按流體產(chǎn)生流動的原因不同,可分為自然對流和強制對流.
2)按流動性質來區(qū)分,有層流和紊流之別.流體從層流過渡到紊流是由于流動失去穩(wěn)定性的結果.一般以雷諾數(shù)(Re)的大小,作為層流或紊流的判斷依據(jù).
3)流體的物性對對流換熱的影響.例如,粘度、密度、導熱系數(shù)、比熱、導溫系數(shù)等等,它們隨流體不同而不同,隨溫度變化而變化,從而改變對流換熱的效果.
4)換熱表面的幾何條件對對流換熱的影響.其中包括:
a管道中的進口、出口段的長度,形狀以及流道本身的長度等;
b物體表面的幾何形狀,尺寸大小等;
c物體表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
d物體表面的位置(平放、側放、垂直放置等)以及流動空間的大小.
5)流體物態(tài)改變的影響.
6)換熱面的邊界條件,如恒熱流、恒壁溫等,也會影響對流換熱.
7)風量和溫度的關系
T＝Ta+1.76P/Q
式中
Ta-環(huán)境溫度,℃
P-整機功率,W
Q-風扇的風量,CFM
T-機箱內(nèi)的溫度,℃
舉一個電路設計中熱阻的計算的例子:
設計要求:芯片功耗:20瓦,芯片表面不能超過的最高溫度:85℃,環(huán)境溫度(最高):55℃計算所需散熱器的熱阻.
實際散熱器與芯片之間的熱阻很小,取0.1℃/W作為近似.
則 (R+0.1)×20W=85℃-55℃
得到 R=1.4℃/W
只有當選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時才能保證芯片表面溫度不會超過85℃.
使用風扇能帶走散熱器表面大量的熱量,降低散熱器與空氣的溫差,使散熱器與空氣之間的熱阻減小.因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示.如下例:
風速(英尺/秒)熱阻(℃/W)
03.5
1002.8
2002.3
3002.0
4001.8
功率元件的散熱方式是關鍵.開關電源一般采用空氣冷卻或者水冷.在功率較小時,采用空氣冷卻就能夠滿足要求.在功率較大時,則需要在散熱器中通水,利用水流帶走熱量,因為散熱器一般都有不同的電位,所以必須采用絕緣強度較好的水,一般采用純凈水,它比普通蒸餾水的離子含量還要低.在水路的循環(huán)系統(tǒng)中,一般還要加離子樹脂交換器,因為散熱器上的金屬離子會不斷的溶解到水中,這些離子需要被吸附清除.
應該說,從散熱的角度來說,水冷是非常理想的.但是,水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高,安裝復雜,維護工作量大,而且一旦漏水,會帶來安全隱患.所以,能夠用空氣冷卻解決問題的場合,就不要采用水冷.
空氣冷卻能夠從設備中帶出來的熱量,與有效散熱面積的大小有關系,散熱面積越大,能夠帶走的熱量就越多.元器件的數(shù)目越多,散熱的面積就越大,空氣冷卻的效果就越好.
電力電子元件的熱量按照如下方式傳導:沿散熱器表面散開,再沿表面?zhèn)鬟f到散熱片上,被空氣帶走.沿散熱器表面散開的面積是非常有限的,離開元件較遠處,已經(jīng)基本感受不到熱量,所以把散熱器表面做大到一定程度,對散熱效果的增加已經(jīng)沒有意義.對于散熱器的齒片也是一樣,齒根處溫度較高,齒尖處只有很少的熱量到達,所以增高齒片到一定程度,對散熱也毫無用處.
所以,要解決大功率產(chǎn)品的空氣冷卻問題,唯一有效的辦法是,利用很多的元器件,均攤熱量,增大有效的散熱面積.
當然,采用功耗較小的新一代元器件,或者采用熱阻較小的新式散熱器,也可以使空氣冷卻的電源功率更大.
關于電源散熱的另外一個問題是,把熱量從電源內(nèi)部帶出來以后,如何耗散在大氣中.對于水冷裝置,需要在室外安裝一個水-空冷裝置,把熱水變成涼水.對于空氣冷卻的裝置,如果散熱量較大,需要安裝風道,把熱空氣直接排出室外,否則,熱空氣會在室內(nèi)聚集,造成室溫升高.以前有的用戶考慮用室內(nèi)空調(diào)機降溫,事實證明在大功率電源應用中,需要較大的空調(diào)配置,是不經(jīng)濟的.
降低熱阻,提高對流換熱的途徑主要有:加大散熱器尺寸或者增加散熱片數(shù)量以加大散熱面積 ;采用更大尺寸或擁有更強風力的風機增大空氣流速以增大 ;引入紊流以增強局部對流來增大 等.通常情況下,選用散熱面積較大的型材散熱器和風量較大的風機可以降低散熱器到環(huán)境介質的熱阻,但散熱面積的增加和風機風量的提高均受裝置體積、重量以及噪音指標等限制.由于電力電子器件的小型化和輕量化的發(fā)展趨勢,在散熱器和風機參數(shù)一定的條件下,通過合理的風道設計,在散熱器表面流場引入紊流是改善散熱的又一有效途徑.
合理的風道設計一般要求引導風扇氣流沖擊散熱器表面,適當?shù)母淖儦饬髟谏崞鞅砻娴牧鲃臃较蛞栽谏崞鞲浇鲌鲋行纬纱蟮臄_動,從而形成廣泛的紊流區(qū),加強散熱效果,如在散熱器前端加入擾流片等辦法;同時不應使氣流壓頭損失過大,流速下降過多,以免降低散熱效果.事實上這兩方面往往存在矛盾,所以應綜合權衡,盡量最優(yōu).
風扇出風口與散熱器間的距離對模塊散熱的影響研究
在強迫吹風冷卻情形下,由于風扇旋渦swirl存在,散熱器與風扇間的距離對其流場均勻度影響較大,理論上,當散熱器與風扇間的距離足夠大時,風扇旋渦swirl對流場的影響較小,然而在產(chǎn)品設計中,由于體積的限制,不可能允許散熱器與風扇間的距離太大,換句話說,風扇旋渦swirl對散熱的影響是一定存在的,利用FLOTHERM熱仿真分析軟件,通過合理控制熱設計冗余,力求得出一個較合理的風扇與散熱器的距離.
在實際應用中,受到產(chǎn)品本身結構布置、外形尺寸等相關因素的限制,冷卻風扇與散熱器間的距離不可能得到任意滿足.那么,如何合理、經(jīng)濟地確定風扇與散熱器間距離的大小,如何平衡諸多因素間的矛盾呢?我們必須從引起該結果差異的原因中進行分析,找出一個折衷的方法來較為合理、經(jīng)濟地確定該距離的大小.
仔細分析造成流場不均勻的原因,其關鍵的因素就是:一方面,由于實際風扇中HUB的存在,使冷卻風從風扇環(huán)形的截面吹出,從而在風扇HUB的下游區(qū)域形成不均勻地流場分布;另一方面,軸流風扇的工作原理迫使流經(jīng)該風扇出口截面的流體,呈旋轉狀態(tài)流向下游.實際上,在保證流體流出風扇后一定距離的情況下,這種旋轉效果是能夠促進流體間的混合,從而形成一個比較均勻的流場分布,當風扇距散熱器為一個風扇的HUB直徑時,由于HUB存在而導致的不均勻流場可以得到較大程度上的改善,雖然流場分布還是存在一定程度上的不均勻,但是表現(xiàn)在散熱器上功率元器件的殼溫,卻沒有顯著的變化,從而形成這一漸近的變化趨勢曲線.由此我們可以得出以下結論:
a 風扇強迫吹風冷卻時,在冷卻風扇出口下游處,造成流場不均勻的主要因素主要是風扇HUB的存在,其次才是流體流經(jīng)軸流風扇后的旋轉效應.
b 該結構設計上,為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力,我們必須要保證冷卻風扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風扇HUB的直徑.但是,一旦該距離超過一個風扇的外形直徑后,對下游流場均勻程度的貢獻已經(jīng)微乎其為,可以不用考慮該因素造成影響散熱器散熱能力這一因素.
c 如果在結構設計上,無法保證冷卻風扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風扇HUB的直徑,則必須要求在風扇與散熱器間安裝整流柵.
在電力電子行業(yè)中,由于存在著大量的功率元器件,因此強迫風冷冷卻在該行業(yè)得到廣泛的應用.由于該行業(yè)產(chǎn)品自身的特點及其主要的應用環(huán)境,電源模塊或系統(tǒng)在選用強迫冷卻這種散熱方式時,軸流風扇得到廣泛的應用.由于軸流風扇的工作原理是通過電機工作,帶動與其相連的葉片使葉片以電機給定的轉速進行旋轉,從而在葉片的前后產(chǎn)生一定的壓差,驅動葉片周圍的空氣沿電機軸這一固定的方向進行運動.因此,軸流風扇具有壓頭底、流量大等特點.通常人們在選用軸流風扇時,也僅僅考慮了上述的幾個特點,忽約了軸流風扇葉片旋轉而給被迫產(chǎn)生流動的空氣造成的一系列影響.實際上,通過軸流風扇的流體并不完全是沿電機軸這一單方向進行運動的,在與電機軸垂直的風扇葉片截面上也有一速度運動分量.因此,通過軸流風扇驅動的流體實際上是以電機軸為軸線,向前旋轉運動著的流動流體.在軸流風扇出口處,流體的實際流動方向如下圖所示:
圖1、風扇出口處流體的實際流動方向
如前所述,通過軸流風扇出口處的流體實際上是沿軸心旋轉向前流動的流體,那么風扇的實際旋轉方向對其后的流場(電源內(nèi)部的被冷卻區(qū)域)有什么影響呢?
總結風扇供應商所提供的相關數(shù)據(jù),我們可以得到如下簡單的確定風扇旋轉方向對流場影響的方法:按照左手旋轉原則,大拇指的方向為流體的宏觀流向,其余四指的彎曲方向為風扇出口處流場的旋轉方向.在功率元器件的布局時,按照左手螺旋原則,只要我們把關鍵元器件布置在四彎曲拇指的方向,就能完全避免因風扇旋轉方向而造成元器件散熱的不利影響.
當然了,以上的分析只適用于采用軸流風扇進行強迫吹風冷卻的場合.對于抽風冷卻情形,由于風扇出風口流場的變化對其進風口沒有什么影響,因此風扇旋轉方向對模塊內(nèi)部的散熱是沒有影響的.
舉例:單相輸入有功率因數(shù)校正3000W開關電源的散熱設計
良好的散熱方式可有效的減小整機體積,達到合理的功率密度,根據(jù)本項目要求散熱主要采用強迫風冷方式.在強迫風冷的條件下,電源裝置的溫升與單位時間內(nèi)流經(jīng)電源裝置的風量關系重大,因些應該使電源結構有通暢的風道,減小靜壓損失,其次,應該盡可能使發(fā)熱量高的部件靠近風流最快的區(qū)域,增強熱交換率,例如熱沉、變壓器、開關管等應當優(yōu)先考慮,最后,還應考慮結構對風扇的影響,進氣口應盡可能寬暢,出氣口也應減少障礙物,否則可能會改變正常的風扇風流方向及大小,影響風道的作用.
經(jīng)過詳細認真的分析研究,本電源采用下面的整體布局,主板、升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感均固定在一整體散熱器上,升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感成一排固定在散熱器上半部,主板固定在散熱器下半部:主板上的功率器件如功率開關管、輸出整流管通過鋼板壓條固定在散熱器上,主板上半部放置低元器件、下半部放置高元器件,風扇放置在散熱器前中上位置并固定在前面板上,采用前進風后出風方式.通過以上設計使電源有一良好風道并使主要發(fā)熱元件均在高風速范圍內(nèi),達到了很好的散熱效果,明顯提高了電源可靠性.
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