王忠

（安徽蚌埠中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，安徽蚌埠，233006）

1　概述

由于開關(guān)電源中使用了大量的大功率器件，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電源內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度敏感的功率器件等元器件的失效。因此，電源的散熱設(shè)計(jì)對(duì)提高開關(guān)電源乃至整套電子設(shè)備的工作可靠性顯得尤為重要。

2　散熱有三種基本方式

（1）熱傳導(dǎo):靠物體直接接觸或物體內(nèi)部之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導(dǎo)。其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間，分子動(dòng)能的相互傳遞。（2）對(duì)流換熱:熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層，這層流體受熱后，體積膨脹，密度變小，向上流動(dòng)，周圍的密度大的流體流過(guò)來(lái)填充，填充過(guò)來(lái)的流體吸熱膨脹向上流動(dòng)，如此循環(huán)，不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量，這一過(guò)程稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱的計(jì)算一般采用牛頓所提出的公式：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A為與流體接觸的壁面面積[m2]，α為對(duì)流換熱系數(shù)，θ1為壁面溫度[K]，θ2為流體平均溫度[K]。（3）熱輻射:由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射。它是將物體的一部分熱能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量，通過(guò)能傳遞電磁波的介質(zhì)如空氣、真空等，向四周傳播出去，當(dāng)遇到其它物體時(shí)，則一部分被吸收再轉(zhuǎn)化為熱能，剩下的則被反射回來(lái)。各種物體所散發(fā)出來(lái)的紅外線，即是熱輻射的一種。在真空或空氣中，物體輻射出去的輻射能力Φ，決定于物體的性質(zhì)、表面狀況（如顏色、粗糙度等）、表面積大小及表面溫度等。物體表面顏色越深，越粗糙，輻射能力越強(qiáng)。

3　開關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)

3.1　開關(guān)電源主要散熱方式

開關(guān)電源中各發(fā)熱源，如整流橋、功率開關(guān)管、快恢復(fù)二極管、磁性元件以及作為假負(fù)載的大功率電阻等，這些元器件所產(chǎn)生的熱量必須散發(fā)出去，一般熱設(shè)計(jì)所采用的散熱方式主要是傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱。即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過(guò)對(duì)流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱。實(shí)際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合。

3.2　散熱設(shè)計(jì)的基本要求

在開關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)耐緩綄崃總鬟f出去，達(dá)到元器件降溫的目的。具體要求是：第一：通過(guò)散熱設(shè)計(jì)在滿足性能指標(biāo)的前提下，減少電源內(nèi)部產(chǎn)生的能量；第二：通過(guò)散熱設(shè)計(jì)減少熱阻；第三：通過(guò)散熱設(shè)計(jì)來(lái)保證電源能在較低的溫度條件下工作，保持性能穩(wěn)定，提高可靠性。

實(shí)踐證明，散熱設(shè)計(jì)得好，對(duì)保持性能穩(wěn)定、提高工作壽命有明顯的作用。經(jīng)過(guò)散熱設(shè)計(jì)可以降低元器件的工作溫度，元器件的失效率明顯降低，便提高了整機(jī)的工作可靠性和延長(zhǎng)使用壽命。

3.3　散熱設(shè)計(jì)的基本原則

(1)從有利于散熱的角度，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm，器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則。(2)對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將器件按縱長(zhǎng)方式排列，對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備，最好是將器件按橫長(zhǎng)方式排列。(3)同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件放在冷卻氣流最下游。 (4)在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置。（5）對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域，不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局。 （6）設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以合理配置器件或印制電路板。

3.4　散熱設(shè)計(jì)中常用的幾種方法

3.4.1使用散熱器

功率器件是電源設(shè)備中的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機(jī)可靠性。散熱能力越強(qiáng)，所能承受的功耗就越大。對(duì)于大功率器件來(lái)說(shuō)，僅靠其引線和封裝外殼散熱無(wú)法滿足散熱要求，需要配置合理散熱器進(jìn)行散熱。在選擇和安裝時(shí)應(yīng)該注意，第一：在保證要求的前提下，盡量選用體積小、重量輕的散熱器；第二：安裝時(shí)應(yīng)盡量增大器件和散熱器的接觸面積和壓力，還要用導(dǎo)熱硅脂涂在接觸面，這樣做可以使接觸電阻降低20%~35%；第三：散熱器表面應(yīng)粗糙、涂黑色，以加強(qiáng)輻射散熱的效果。

3.4.2使用冷卻風(fēng)扇

對(duì)于大功率電源來(lái)說(shuō)，因?yàn)橛邪l(fā)熱量較大的器件，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)合的形式。采用自然風(fēng)冷時(shí)，一般選用帶翅片或叉指形的散熱器，在安裝時(shí)盡量使散熱片的葉片豎直向上放置，便于空氣的對(duì)流。強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)流，使功率器件周圍的熱氣流以高的速度將熱量帶走，在風(fēng)道的設(shè)計(jì)上盡量使散熱片的葉片軸向與風(fēng)扇的氣流方向一致，越是散熱量大的器件越要靠近排氣風(fēng)扇。

3.4.3金屬PCB

隨著開關(guān)電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運(yùn)用，散熱片難于安裝到功率器件上。為克服該問(wèn)題主要采取金屬PCB作為功率器件的載體，主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬PCB的散熱性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的PCB且可以貼裝SMD元件。另有一種銅芯PCB，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導(dǎo)熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，它是可以雙面貼裝SMD元件，大功率SMD元件可以將SMD自身的散熱片直接焊接在金屬PCB上，利用金屬PCB中的金屬板來(lái)散熱。

3.4.4發(fā)熱元件的布局

開關(guān)電源中主要發(fā)熱元件有多種，發(fā)熱元件布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小，由小到大排列，發(fā)熱量越小的器件越要排在開關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇。發(fā)熱器件在PCB的布局上同時(shí)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對(duì)溫度敏感的元器件，如電解電容等。

4.總結(jié)

開關(guān)電源在研制過(guò)程中，做好熱設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品可靠性必不可少的方法。對(duì)電源應(yīng)該從元器件、電路板及環(huán)境三個(gè)層次進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。對(duì)于不同功率的電源，要合理利用自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷。應(yīng)注意到要改善電源內(nèi)部的電子元器件向機(jī)殼的傳熱能力和提高機(jī)殼向外界的熱傳遞能力，切實(shí)有效的提高開關(guān)電源的可靠性。