開關(guān)電源電路的熱設(shè)計(jì)流程
1)分析電源電路的布局結(jié)構(gòu)，確定主要發(fā)熱單元;根據(jù)電路理論中的相關(guān)公式，求得各發(fā)熱單元的理論損耗值。
2)分析電源電路對應(yīng)的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據(jù)熱設(shè)計(jì)理論，計(jì)算各個(gè)元器件的熱阻值;根據(jù)熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場分布特性，解出各節(jié)點(diǎn)的溫度值;根據(jù)熱路模型與電氣模型的對應(yīng)關(guān)系，確立電氣模型。
3)建立該電路的3D熱模型。利用專業(yè)熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等)，根據(jù)流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)原理，采用有限元體積法，對建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算﹔根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出最佳方案。
4）模型或樣機(jī)試驗(yàn)分析。通過對模型或樣機(jī)測試測量，檢驗(yàn)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的偏差程度。
5)除了熱設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協(xié)同設(shè)計(jì)。
開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)模型的相關(guān)參數(shù)
下面以功率開關(guān)管為例，介紹熱設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，如圖1所示。結(jié)點(diǎn)處的溫度最高，熱量將根據(jù)熱平衡原理，從圖1的左邊流動(dòng)到右邊，最后到達(dá)通風(fēng)的自然環(huán)境。使用熱導(dǎo)體，將熱量傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的熱交換器。傳導(dǎo)率Q通過傅里葉定律確定:
式中，Q為熱流(J/s(W));Td是熱導(dǎo)體兩端的溫差(℃);A是截面積;L為導(dǎo)體長度;R。是熱阻。
上述定律只能用于一般的固熱導(dǎo)體。如果采用散熱管散熱，它的散熱機(jī)理屬于內(nèi)部冷卻劑的氣化潛伏熱，內(nèi)部熱阻是非線性的，上面等式就失效了。
各接觸面的溫度(即熱源)可根據(jù)熱轉(zhuǎn)移路徑上的熱流和熱阻建立熱平衡方程求得。其表達(dá)式為:
由(4)式可知，熱交換器的溫度可以通過測溫設(shè)備(簡易的如熱電偶)測量得到，并且已知熱阻大小(可通過廠商的數(shù)據(jù)手冊獲得)，即可計(jì)算出熱流和結(jié)點(diǎn)處的損耗。
實(shí)例分析
下面以一個(gè)實(shí)際的開關(guān)電源為例，介紹如何利用Ansoft軟件進(jìn)行熱仿真。該開關(guān)電源電路的電氣參數(shù)列于表1。
仿真的主要參數(shù)
1)環(huán)境參數(shù):電路外部環(huán)境溫度為22℃，空氣之間的對流系數(shù)為10W/m2·K，指數(shù)(FEXP)為0.1，輻射系數(shù)(radioemissivity)為0.05，輻射參考溫度為22℃。系統(tǒng)求解域定義為電路外殼體積的2倍。
2主要尺寸參數(shù):電路外殼尺寸為200mm×70mm×30mm。
3)功耗參數(shù):本例電源系統(tǒng)的主要發(fā)熱元件共有16個(gè)，電路中主要發(fā)熱器件各接觸面的損耗可由(4)式求得，其中變壓器的損耗可分別由文獻(xiàn)[3]中的銅損及鐵損的計(jì)算公式分別求得。本例中將計(jì)算得到的各個(gè)主要發(fā)熱元器件的功率損耗值，按照參數(shù)類型歸類整理，如表2所示。
材料參數(shù):該電路中涉及的材料包括鋁合金、銅、塑料和電路基板材料-FR4。表3為元器件材料的主要參數(shù)。
仿真結(jié)果
根據(jù)主要發(fā)熱元器件的損耗計(jì)算公式，得到各損耗值，將其導(dǎo)入仿真軟件;利用Ansoft仿真軟件的內(nèi)部求解器獲得實(shí)際電路的3D發(fā)熱模型，如圖2所示。從圖中可以清晰地看到電路內(nèi)部及各個(gè)元器件上的熱量分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果(圖2)可知，功率MOSFET上的熱量和變壓器的熱量最高(紅色部分)，這與從電路理論上分析求得的這兩種器件的功耗(見表2)相吻合。
總結(jié)
熱設(shè)計(jì)是提高電源產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的重要手段，正日益受到電源業(yè)界的重視。本文從介紹電路內(nèi)部主要發(fā)熱部件的發(fā)熱機(jī)理入手，簡單介紹了熱設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)流程;結(jié)合實(shí)際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內(nèi)部的溫度場分布特性。該仿真結(jié)果為電路的初期熱設(shè)計(jì)或者后期散熱性能的進(jìn)一步改進(jìn)提供了依據(jù)，可為熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高工作效率。
