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        平板電視電源熱設(shè)計(jì)研究

        2017-10-09 19:38:22唐光友
        科技傳播 2017年18期
        關(guān)鍵詞:輻射散熱器對流

        唐光友

        摘 要 電子產(chǎn)品及其器件的溫度對產(chǎn)品的可靠性有重要影響,不同等級的溫度要求對產(chǎn)品成本將產(chǎn)生巨大影響。電源模塊中導(dǎo)熱、對流和輻射三種熱交換方式同時(shí)存在,自然對流交換的熱量達(dá)80%以上。分析電源模塊中熱量產(chǎn)生的機(jī)理,從方案原理優(yōu)化,輔助散熱增強(qiáng)等方面,系統(tǒng)優(yōu)化電源散熱管理,以強(qiáng)化產(chǎn)品可靠性及競爭力。

        關(guān)鍵詞 電源;導(dǎo)熱;對流;輻射;輔助散熱;散熱器

        中圖分類號 TN94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708(2017)195-0025-02

        1 熱設(shè)計(jì)的重要性

        有研究表明,溫度是引起電子設(shè)備故障的主要原因,在潮濕、粉塵、振動、溫度等幾項(xiàng)引起電子設(shè)備故障的主要原因中,與溫度相關(guān)的故障原因占比達(dá)55%。另外,電子行業(yè)的10℃法則告訴我們:當(dāng)芯片結(jié)溫(Junction Temperature)在-20℃~140℃之間,芯片溫度每降低10℃芯片失效率降低1倍。由此可見電子產(chǎn)品及其器件的溫度對產(chǎn)品的可靠性有重要影響,不同等級的溫度要求對產(chǎn)品成本也將產(chǎn)生巨大影響,因此,對電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探索的工作顯得意義重大。

        2 理論探索

        2.1 熱量之傳遞:溫度差是熱量傳遞之根本原因

        熱量的傳遞存在兩個(gè)特點(diǎn),第一個(gè)是熱量總是從溫度高的區(qū)域流向溫度低的區(qū)域,第二個(gè)是釋放的熱量等于吸收的熱量。

        熱量的傳遞途徑有3種方式,分別是導(dǎo)熱、對流傳熱和輻射傳熱。在一個(gè)熱管理系統(tǒng)中,3種熱傳遞方式通常是同時(shí)存在的。對于個(gè)體的散熱管理系統(tǒng),通常設(shè)計(jì)一種或兩種散熱方式起主導(dǎo)作用。在對系統(tǒng)研究時(shí),應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的應(yīng)用場景、可靠性要求、成本控制等進(jìn)行主要散熱方式選擇設(shè)計(jì)。

        2.2 導(dǎo)熱

        熱學(xué)第一定律即傅立葉定律:通過特定截面的熱流量與該截面積成正比,也與溫度變化率成正比。

        Q ——傳導(dǎo)的熱量,單位W

        K——導(dǎo)熱系數(shù),單位W/(m·℃),屬物性

        參數(shù)

        A——導(dǎo)體橫截面積,單位m2

        ⊿t——傳熱路徑兩端溫差,單位℃

        L——傳熱路徑長度,單位m

        從公式可以看出,一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱交換量成正比。因此在導(dǎo)熱設(shè)計(jì)時(shí),可采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料來增強(qiáng)換熱效果。

        2.3 對流

        對流換熱:流體流過物體表面時(shí)發(fā)生的熱量交換過程稱為對流換熱。流體的流動不是由設(shè)計(jì)的外力引導(dǎo)發(fā)生的稱為自然對流。流體的運(yùn)動由設(shè)計(jì)的外力引導(dǎo)發(fā)生的稱為強(qiáng)制對流。對流換熱可定量為:

        Q——對流換熱量,單位 W

        hc——換熱系數(shù),單位W/(m2·℃)

        A——有效換熱面積,單位m2

        ⊿t——換熱表面與流體溫差,單位℃

        從公式可以看出,對流換熱量與有效換熱面積、換熱系數(shù)和溫差直接相關(guān)。換熱系數(shù)是一個(gè)綜合變量,它的數(shù)值與表面的粗糙度、表面和流體的相對熱特性、流速、流向等因數(shù)有關(guān)。有效換熱面積可采用增加散熱器葉片數(shù)量等結(jié)構(gòu)方式獲得,但增加換熱表面積需要考慮不影響換熱系數(shù)為限,需要實(shí)際測試驗(yàn)證。

        2.4 輻射

        輻射:物體以電磁波形式傳遞能量的過程。輻射能在真空中傳遞能量,且有能量形式的轉(zhuǎn)換,即熱能轉(zhuǎn)換為輻射能及從輻射能轉(zhuǎn)換成熱能。

        Q——輻射散熱量,W;

        e——散熱表面的黑度;

        s——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),5.67?10-8(W/m2·K4);

        T1、T2——分別為物體和環(huán)境的絕對溫度,K。

        輻射換熱常常在自然對流系統(tǒng)或者有太陽輻射環(huán)境(室外或者太空)中考慮。增強(qiáng)輻射換熱效果的主要方法對表面進(jìn)行氧化處理(如黑色陽極氧化),以提高換熱表面的黑度。

        2.5 電源模塊換熱方式解析

        實(shí)際上電源模塊中3種熱交換方式是同時(shí)存在的,只是根據(jù)工程需要對其中某一種換熱進(jìn)行強(qiáng)化處理,電源模塊中80%以上的熱量是通過自然對流方式傳遞到空氣中,導(dǎo)熱作為一種重要的熱交換方式存在于每一條熱路中,輻射傳熱在整個(gè)模塊中的換熱量為10%左右。圖1簡述了電源模塊中熱量的幾種傳遞方式。

        3 電源模塊熱分析及溫度控制

        3.1 電源熱量的產(chǎn)生

        開關(guān)電源在進(jìn)行電壓變換的工作過程中會存在功率損失,損失的功率可視為電路中各器件工作過程的熱量輸出,因此電源模塊的熱耗等于功率損失,即電源輸入功率與輸出功率之差。

        3.2 電源熱量分布

        開關(guān)電源在工作過程中,電壓變換電路的功率損失主要集中在功率開關(guān)和輸出整流部分,這兩部分的功率損失占整個(gè)電源功率損失約90%,另外磁性器件和其它電路各占電源功率損失的5%。圖3概述了開關(guān)電源中各種功率損失的類型。

        3.3 電源產(chǎn)品溫度控制

        1)電路方案優(yōu)化。優(yōu)化電路方案的目的在于提高電源轉(zhuǎn)換效率,降低損耗,可以通過以下方式優(yōu)化:(1)減少或消除開關(guān)期間的電壓電流乘積,在基本PWM變換器內(nèi)的這種波形微調(diào)使電源的效率增加5%~10%。(2)改進(jìn)半導(dǎo)體器件和鐵氧體磁材料,使開關(guān)頻率提高,效率比雙極型晶體管的設(shè)計(jì)提高了5%~10%。(3)降低主要損耗的各種技術(shù):無損吸收電路、有源鉗位電路、準(zhǔn)諧振改進(jìn)電路。

        2)增加輔助散熱。根據(jù)對功率損耗的評估,合理制定輔助散熱方案,輔助散熱方案的選用對產(chǎn)品可靠性及成本控制有重要影響,需要重點(diǎn)研究。目前平板電視電源產(chǎn)品主要以自然風(fēng)冷方式進(jìn)行輔助散熱,這一方式結(jié)構(gòu)簡單、可靠,成本低,適合于低密度熱流系統(tǒng)。以下是列舉概述一些常用的輔助散熱方法:(1)自然風(fēng)冷:散熱器散熱,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可靠性高,適合于低熱流密度系統(tǒng)。(2)強(qiáng)迫風(fēng)冷:風(fēng)機(jī)+散熱器散熱,散熱能力較好,用于較大熱流密度系統(tǒng)。(3)熱管+風(fēng)冷:熱管+散熱器或熱管+風(fēng)機(jī)+散熱器散熱,散熱能力強(qiáng),用于較大熱流密度而內(nèi)部空間受限的系統(tǒng)。(4)其它散熱系統(tǒng)。(5)冷板、沸騰換熱、微通道換熱、微槽群沸騰換熱等。

        3.4 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)——散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo):最低的熱阻、最好的換熱效果

        自然風(fēng)冷條件下,散熱器的設(shè)計(jì)選用顯得更為重要,對散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是發(fā)揮材料的最大換熱能力,提升散熱器性價(jià)比。以下為一些散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法:(1)自然對流換熱系統(tǒng)中,對散熱器進(jìn)行表面氧化處理,提高表面黑度,能有效增加輻射換熱能力。(2)采用導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)良的材料,如純鋁6063、銅1100等。(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱器鰭片寬度及間距尺寸,提高有效散熱面積。(4)在散熱鰭片表面增加波紋,增強(qiáng)氣流擾動,可以提高換熱能力。(5)增大散熱器基板厚度,可以提高抗熱沖擊能力。

        4 結(jié)論

        總之,開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)研究是一項(xiàng)涉及多學(xué)科知識的工作,需要扎實(shí)的理論知識作為指導(dǎo),同時(shí)熱設(shè)計(jì)研究又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,需要不斷的經(jīng)驗(yàn)積累,在實(shí)踐中總結(jié),總結(jié)中不斷改進(jìn)和完善。

        參考文獻(xiàn)

        [1]林志華.平板電視節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].電視技術(shù),2009.

        [2]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

        [3]張占松,張心益.開關(guān)電源技術(shù)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.endprint

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