開關(guān)電源的熱設(shè)計

　　開關(guān)電源內(nèi)部的溫升過高，將會導(dǎo)致對溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性就要下降10％；溫升50℃時的壽命只有溫升25°C時的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開關(guān)電源有大功率的發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一。完整的熱設(shè)計包括兩個方面：一是如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二是如何將發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開關(guān)電源的可靠性。下面從兩個方面加以說明。

　?。?）控制發(fā)熱量的設(shè)計

　　開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同的元器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且還可以提高開關(guān)電源的可靠性，提高平均無故障時間（MTBF）。開關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關(guān)管的損耗由開關(guān)過程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過選用低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減小通態(tài)損耗；開關(guān)過程損耗是由于柵電荷大小及開關(guān)時間引起的，減小開關(guān)過程損耗可以選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時間更短的器件來實現(xiàn)。但更為重要的是通過設(shè)計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來減小損耗，如采用軟開關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會有更好的控制技術(shù)來減小損耗，可以通過選擇高質(zhì)量的二極管來減小損耗。對于變壓器次級的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來減小損耗。對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免集膚效應(yīng)，對于集膚效應(yīng)造成的影響，可以采用多股細漆包線并繞的辦法來解決。

　?。?）開關(guān)電源的散熱設(shè)計

　　功率MOSFET管導(dǎo)通時有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān)。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可以表示為：

　　式中 Tj——額定結(jié)溫（Tj＝150℃）；

　　 Tc——殼溫：

　　 RT——結(jié)到管殼之間的穩(wěn)態(tài)熱阻。

　　Tj代表器件的耐熱能力，Tc和RT代表器件的散熱條件，而PD則是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。

　　散熱有三種基本方式：即熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流。根據(jù)散熱的方式，可以選用自然散熱；力l裝散熱器；或選擇強制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要是利用熱傳導(dǎo)和熱對流，即所有的發(fā)熱元器件都固定在散熱器上，熱量通過傳導(dǎo)的方式傳遞到散熱器上，散熱器上的熱量再通過能流換熱的方式由空氣帶出機箱。實際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合，可以用牛頓公式統(tǒng)一來表達：

　　式中 S——散熱表面積；

K——表面散熱系數(shù)。

　　表面散熱系數(shù)通常由試驗來確定，在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查。它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來了。

　　通過Φ＝KST，可以在計算出耗散功率之后，根據(jù)允許的溫升r來確定散熱表面積S，并由此而確定所要選擇的散熱器。這種計算對于提高開關(guān)電源的可靠性、功率密度、性能價格比等，都有重要意義。如果采用強制風(fēng)冷，如裝風(fēng)扇，則對整流模塊來說，風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制約整流模塊提高MTBF的瓶頸，所以采取各種措施提高散熱效率來延長風(fēng)扇的壽命具有重要意義。