隨著如今開關電源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其產(chǎn)品也逐漸向小型化、高頻化、高功率密度方向邁進。這些發(fā)展趨勢都對開關電源的散熱性能產(chǎn)生了更為苛刻的要求。高頻、高功率密度化必然導致電子元器件過熱，尤其是開關電源中的功率器件會產(chǎn)生更多的熱量。若熱量不及時排除，將引起電子電路板的熱流密度過高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超過極限值時，將導致元器件失效。國外統(tǒng)計資料表明，電子元器件的溫度每升高2℃，安全性下降10%，溫升為50℃時，壽命只有25℃時的1/6。如今，開關電源的電路可靠性熱設計和熱評估工作在設計過程中尚屬薄弱環(huán)節(jié)，大部分設計人員仍停留在依靠整機環(huán)境試驗過關的狀況。雖然對電路進行了一定的熱設計，并實施了一定的熱控制措施，但未對其熱設計的效果進行有效的評估，致使電源內(nèi)部個別過熱部件隱藏的故障隱患未能發(fā)現(xiàn)和排除，直接影響到整個電源的質(zhì)量和可靠性。因此，在電路設計初期設計師就需要對熱設計進行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設計中面臨的問題。
開關電源熱設計
1開關電源熱設計的基本概念和目標
所謂的熱設計就是利用熱傳遞特性，通過附加的冷卻措施，控制電子設備內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超過降額后規(guī)定的最高允許工作溫度的設計技術。
實施熱系統(tǒng)設計主要達到兩個目標。首先，確保任何元器件不超過降額后的最大工作結溫T，max﹔其次，在給定的有限空間和重量下，盡可能保持元器件的散熱性能。元器件廠商提供的數(shù)據(jù)手冊中，給出了元器件的最大工作結溫。若破壞了第一個準則，元器件將在幾分鐘內(nèi)失效，若破壞了后者，就會影響系統(tǒng)的長期壽命。
2開關電源電路熱設計
在不影響產(chǎn)品本體性能的條件下，針對開關電源電路的具體要求，并結合元器件的熱分析，選擇合適的冷卻方式，是進行開關電源電路熱設計的主要工作。熱設計的原則:一是減少發(fā)熱量，即選用最優(yōu)的控制方法和技術，如移相全橋技術，同步整流技術等;另外，選擇使用低功耗器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源效率;二是采用電源內(nèi)部的熱交換機制，采用傳導、對流和輻射三種方式，如散熱器、風冷(自然對流和強迫風冷)、液冷(水和油)熱管等，將電源內(nèi)部多余的熱量轉移。
熱系統(tǒng)分析實際上是歐姆定律的變形，有直接與電氣領域的元器件相對應的等效元件。電路中的每個元器件和節(jié)點對應實際設計結構中的一個物理結構體或表面，電源則對應電路中的一個發(fā)熱元器件，它產(chǎn)生可計算或測量的功率。損耗就是發(fā)熱，開關電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可忽略的因素。它不僅會影響到元器件的可靠性，而且對開關電源的輸出也產(chǎn)生影響。
功率器件的損耗主要包括開關損耗Pru、導通損耗Pc和門極驅(qū)動損耗Pg。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結溫Tj和熱阻Ro。當結溫高于周圍環(huán)境溫度Ta時，Tj隨著溫差(Tj一Ta)的增大而增大，為了保證器件能夠長期正常工作，必須規(guī)定最大結溫Timax。Timax的大小是根據(jù)器件的封裝材料、芯片材料和可靠性的要求確定的。功率器件的散熱能力主要通過熱阻來表征。熱阻越大，散熱能力越差。熱阻主要分為內(nèi)熱阻和外熱阻兩個部分:前者是器件本身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和器件的加工工藝有關;后者則與管殼的封裝形式有關。通常管殼的表面積越大，熱阻越小。功率器件的熱設計主要分為器件內(nèi)部芯片的熱設計，封裝的熱設計，管殼的熱設計，以及功率器件實用熱設計。電源設計工程師的主要工作是針對功率器件的實用熱設計，其目的是通過計算功率器件的損耗，選擇合適的散熱器和合理的電路布局;通過散熱器的有效散熱，保證器件的結溫在安全的結溫之內(nèi)，且能長期正常可靠地工作。
變壓器的損耗包括:鐵心的損耗(鐵損)和線圈的損耗(銅損)。變壓器的鐵損和銅損分別構成它的兩個熱源。由于熱輻射的原因，磁芯產(chǎn)生熱量的大部分直接散發(fā)到周圍空氣中，而小部分熱量則先傳遞給線圈，然后再由線圈散發(fā)到空氣中。同樣，線圈產(chǎn)生的熱量也有相似的傳熱方式，即部分直接散熱到空氣，另一部分則先傳遞給磁芯，再散發(fā)到空氣。隨著開關電源工作頻率的不斷提高，損耗(包括鐵心損耗和銅損)也在急劇增大。為了提高變壓器的功率密度和熱性能，以防止熱失效，除了需要研究其損耗減小技術(包括開發(fā)具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體材料和線圈設計技術)、封裝技術以及散熱技術外，還需積極研究包括熱模型以及溫度設計準則等熱設計技術。電源設計師應該針對變壓器的線圈設計技術.散熱技術、創(chuàng)建熱模型，以及利用熱仿真軟件等，進行深入的研究。
