開關電源的可靠性熱設計
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熱傳遞的速度很重要,但是吸收熱量能力低也不利于散熱,這里又引入了比熱容的概念.
定義:單位質(zhì)量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一攝氏度,單位為卡/(千克×°C),數(shù)值越大代表物體容納熱量的能力越大.
材料比熱(卡/(千克×°C))
水1000
鐵113
鋁217
銅93
鉛31
銀56
根據(jù)上表得知,水比熱容最高,比金屬有更強的熱容能力,這也是水冷散熱器賴以生存的根本.值得注意的是,鋁的比熱容不低于銅,這就是為什么純銅散熱器的散熱效能并沒有大幅超出鋁質(zhì)散熱器的原因.
熱傳導系數(shù)與比熱值體現(xiàn)的是材料本身的特性.但是一款散熱器散熱性能的好壞,也要受到自身設計結構的影響.而體現(xiàn)這方面整體性能的參數(shù),就要依靠熱阻與風阻兩個概念了.同時,散熱器的體積與重量也不可忽視.
之三:熱阻
熱阻,英文名稱為thermal resistance,即物體對熱量傳導的阻礙效果.熱阻的概念與電阻非常類似,單位也與之相仿――℃/W,即物體持續(xù)傳熱功率為1W時,導熱路徑兩端的溫差.以散熱器而言,導熱路徑的兩端分別是發(fā)熱物體(如CPU等)與環(huán)境空氣.
散熱器熱阻＝(發(fā)熱物體溫度-環(huán)境溫度)÷導熱功率.
散熱器的熱阻顯然是越低越好――相同的環(huán)境溫度與導熱功率下,熱阻越低,發(fā)熱物體的溫度就越低.但是,決定熱阻高低的參數(shù)非常多,與散熱器所用材料、結構設計都有關系.
必須注意:上述公式中為“導熱功率”,而非“發(fā)熱功率”.因為無法保證發(fā)熱物體所產(chǎn)生的熱量全部通過散熱器一條路徑傳導、散失,任何與發(fā)熱物體接觸的低溫物體(包括空氣)都可能成為其散熱路徑,甚至還可以通過熱輻射的方式散失熱量.所以,當環(huán)境或發(fā)熱物體溫度改變時,即使發(fā)熱功率不變,由于通過其它途徑散失的熱量改變,散熱器的導熱功率也可能發(fā)生較大變化.如果以發(fā)熱功率計算,就會出現(xiàn)散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現(xiàn)象.
散熱器(不僅限于風冷散熱器,還可包括被動空冷散熱片、液冷、壓縮機等)所標注的熱阻值根據(jù)測試環(huán)境與方法的不同可能存在較大差異,而與用戶實際使用中的效果也必然存在一定差異,不可一概而論,應根據(jù)具體情況分析.
雖然型材散熱器已有了相應的國家標準(GB742312287) ,但其中的自然對流和強迫風冷條件下的熱阻關系曲線均為實驗數(shù)據(jù)整理所得, 而在實際應用中影響散熱器熱阻的因素比較多,實驗數(shù)據(jù)與實際應用有一定誤差.如何綜合考慮這些因素, 使得在一定工作條件下散熱器的熱阻最小, 也是工程設計中迫切需要解決的問題.因此, 對散熱器進行優(yōu)化設計也就非常必要.散熱器的優(yōu)化問題屬于有約束多變量優(yōu)化問題,其目標函數(shù)是散熱器與環(huán)境之間的熱阻,設計變量是設計者可選擇的參數(shù)(肋高、肋長、肋厚、肋片數(shù)目、肋片形狀、肋片材料等) .
風阻
風冷散熱器的散熱片需要仰仗風扇的強制導流才可發(fā)揮完全的性能,實際通過的有效風量與散熱效果關系密切,而散熱片會對風量造成影響的指標就是“風阻”了.
風阻,正如其名,是物體對流過氣流的阻礙作用,但卻不能如電阻、熱阻般用具體數(shù)值來衡量.通常,以風量與進/出口壓強差繪制出壓強-流量曲線(P-Q曲線),這條曲線便是散熱器對通過氣流的阻礙效果――相同壓強差下,風阻越小,風量越大;相同風量下,風阻越大,壓強差越大.
那么風阻是否越小越好呢?如果能保證有效散熱面積,當然!可惜,散熱片的有效散熱面積與風阻往往不能兩全,在提高有效散熱面積的同時,難免增大風阻,在散熱片結構設計過程中就需要進行權衡了.散熱片設計一旦確定,風阻(P-Q曲線)也就基本確定下來,我們能夠做的,只有為它選配合適的風扇,令其發(fā)揮出設計應有性能了.為散熱片搭配合適的風扇,需結合散熱片阻抗(風阻)曲線與風扇特性曲線進行分析.
目前散熱片主要采用Extruded(擠壓技術);Skiving(切割技術);Fold FIN(折葉技術);Forge(鍛造技術),四種制造技術.顧名思義,切割技術其實就是把一塊塊的金屬,用專用切割機切出散熱片來.使用這種切割技術加工的散熱片將會很薄和很精密,這樣就會有效地增加散熱面積.和擠壓技術一樣,切割技術也很適合鋁材,因為鋁材的重量和密度上都有著輕便和相對較低的特點,這樣的材料就很適合其散熱器制造和任意改良散熱器.而采用銅材質(zhì)的散熱器切割起來就多一些難度,對技術要求較高.
常見導熱材料傳導、密度系數(shù)表:
散熱器的制作材料在很大程度上決定了散熱器性能的高低.很多工程師認為使用金、銀作為散熱器制作材料會大大提升散熱效果,但從上表中我們可以看到,熱傳導系數(shù)最高的并不是人們想象的金屬元素而是非金屬,而且金、銀的導熱能力可不是十分突出.
在金屬單體中,銅的熱傳導系數(shù)與銀十分接近,而金的熱傳導率卻要遠小于銅,而且金銀的價格昂貴,不適合大批量制作散熱器.我們常見的散熱器經(jīng)常使用銅、鋁.除了其導熱能力相對較好,材料成本比較低外,其加工相對容易,方便大批量生產(chǎn)也是一個重要的因素.銅的熱傳導率約是鋁的1.69倍,采用銅制散熱器從理論上會比鋁制散熱器散熱效果更好.但是鋁的密度比銅低很多,所以一般來說,采用鋁為原料制作散熱片比較容易加工.
常見材料的熱導系數(shù)如下:
常見材料的TCE(熱膨脹系數(shù))值如下:
各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要,通過調(diào)整配方材料的成分與比例,可以獲得各種不同的特性,適合于不同的成形、加工方式,應用于不同的領域.列出的5種不同鋁合金中:AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導能力與加工性,適合于擠壓成形工藝,在散熱片加工中被廣為采用.ADC12適合于壓鑄成形,但熱傳導系數(shù)較低,因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替,可惜加工機械性能方面不及ADC12.AA1050則具有較好的延展性,適合于沖壓工藝,多用于制造細薄的鰭片.根據(jù)已知的工藝-材料-結構關系式,應該選用能夠提供最大經(jīng)濟效益的材料.6063合金的歷史和最新發(fā)展表明,它將是散熱器功能材料領域上最有力的競爭者.
6063鋁合金散熱器以熱阻特性值為基本判據(jù)的電力半導體器件用特殊機械產(chǎn)品,因此作為散熱器擠壓型材以及合金的潛在性能,具有以下特點:
1)具有較好的可擠壓性,以能適應各種形狀散熱器表面積要求;
2)良好的機加工性能;
3)適宜的力學性能,尤其是機械強度和蠕變的性能以及物理性能;
4)具有吸引力的商品外觀,一定的耐蝕性,以及陽極化著色的處理的能力.
鋁合金型材散熱器從冷卻方式上分為自然冷卻和強迫風冷.從結構上分為電子元件型、平板晶閘管型、螺栓晶體管型、功率模塊型等.散熱器表面經(jīng)電泳涂漆發(fā)黑或陽極氧化發(fā)黑粉末噴涂處理后,進一步提高產(chǎn)品的耐腐蝕性、耐磨性,其散熱量在自然冷卻下提高10%~15%,在強迫風冷下提高30%,電泳涂漆后表面可耐壓500V~800V.
在元器件布局時,應將發(fā)熱器件安放在下風位置或在印制板的上部,散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理,以提高輻射率.散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設計.而黑色有很好的吸熱性能.另外噴涂三防漆后會影響散熱效果,需要適當加大裕量.散熱器安裝器件的平面要求光滑平整,一般在接觸面涂上硅脂以提高導熱率.一般散熱器廠商提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線,據(jù)此設計人員可以根據(jù)計算出的熱阻求出所需散熱器的表面積、長度、重量.
常見的導熱油脂包括兩種:人工合成的無硅散熱油脂和含硅的散熱油脂;常見的散熱片如下圖:
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