唐光友

摘 要 電子產(chǎn)品及其器件的溫度對(duì)產(chǎn)品的可靠性有重要影響，不同等級(jí)的溫度要求對(duì)產(chǎn)品成本將產(chǎn)生巨大影響。電源模塊中導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種熱交換方式同時(shí)存在，自然對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞 電源；導(dǎo)熱；對(duì)流；輻射；輔助散熱；散熱器

中圖分類號(hào) TN94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(dòng)、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(duì)產(chǎn)品的可靠性有重要影響，不同等級(jí)的溫度要求對(duì)產(chǎn)品成本也將產(chǎn)生巨大影響，因此，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)系統(tǒng)研究時(shí)，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)流

對(duì)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(duì)流換熱。流體的流動(dòng)不是由設(shè)計(jì)的外力引導(dǎo)發(fā)生的稱為自然對(duì)流。流體的運(yùn)動(dòng)由設(shè)計(jì)的外力引導(dǎo)發(fā)生的稱為強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流換熱可定量為：

Q——對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)溫度，K。

輻射換熱常常在自然對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(huì)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(duì)功率損耗的評(píng)估，合理制定輔助散熱方案，輔助散熱方案的選用對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(duì)流換熱系統(tǒng)中，對(duì)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(dòng)，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(shí)的工作，需要扎實(shí)的理論知識(shí)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)

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