開關電源的可靠性熱設計分析
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熱傳遞的速度很重要,但是吸收熱量能力低也不利于散熱,這里又引入了比熱容的概念.
定義:單位質量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一攝氏度,單位為卡/(千克×°C),數值越大代表物體容納熱量的能力越大.
材料比熱(卡/(千克×°C))
水1000
鐵113
鋁217
銅93
鉛31
銀56
根據上表得知,水比熱容最高,比金屬有更強的熱容能力,這也是水冷散熱器賴以生存的根本.值得注意的是,鋁的比熱容不低于銅,這就是為什么純銅散熱器的散熱效能并沒有大幅超出鋁質散熱器的原因.
熱傳導系數與比熱值體現的是材料本身的特性.但是一款散熱器散熱性能的好壞,也要受到自身設計結構的影響.而體現這方面整體性能的參數,就要依靠熱阻與風阻兩個概念了.同時,散熱器的體積與重量也不可忽視.
之三:熱阻
熱阻,英文名稱為thermal resistance,即物體對熱量傳導的阻礙效果.熱阻的概念與電阻非常類似,單位也與之相仿——℃/W,即物體持續(xù)傳熱功率為1W時,導熱路徑兩端的溫差.以散熱器而言,導熱路徑的兩端分別是發(fā)熱物體(如CPU等)與環(huán)境空氣.
散熱器熱阻＝(發(fā)熱物體溫度-環(huán)境溫度)÷導熱功率.
散熱器的熱阻顯然是越低越好——相同的環(huán)境溫度與導熱功率下,熱阻越低,發(fā)熱物體的溫度就越低.但是,決定熱阻高低的參數非常多,與散熱器所用材料、結構設計都有關系.
必須注意:上述公式中為“導熱功率”,而非“發(fā)熱功率”.因為無法保證發(fā)熱物體所產生的熱量全部通過散熱器一條路徑傳導、散失,任何與發(fā)熱物體接觸的低溫物體(包括空氣)都可能成為其散熱路徑,甚至還可以通過熱輻射的方式散失熱量.所以,當環(huán)境或發(fā)熱物體溫度改變時,即使發(fā)熱功率不變,由于通過其它途徑散失的熱量改變,散熱器的導熱功率也可能發(fā)生較大變化.如果以發(fā)熱功率計算,就會出現散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現象.
散熱器(不僅限于風冷散熱器,還可包括被動空冷散熱片、液冷、壓縮機等)所標注的熱阻值根據測試環(huán)境與方法的不同可能存在較大差異,而與用戶實際使用中的效果也必然存在一定差異,不可一概而論,應根據具體情況分析.
雖然型材散熱器已有了相應的國家標準(GB742312287) ,但其中的自然對流和強迫風冷條件下的熱阻關系曲線均為實驗數據整理所得, 而在實際應用中影響散熱器熱阻的因素比較多,實驗數據與實際應用有一定誤差.如何綜合考慮這些因素, 使得在一定工作條件下散熱器的熱阻最小, 也是工程設計中迫切需要解決的問題.因此, 對散熱器進行優(yōu)化設計也就非常必要.散熱器的優(yōu)化問題屬于有約束多變量優(yōu)化問題,其目標函數是散熱器與環(huán)境之間的熱阻,設計變量是設計者可選擇的參數(肋高、肋長、肋厚、肋片數目、肋片形狀、肋片材料等) .
風阻
風冷散熱器的散熱片需要仰仗風扇的強制導流才可發(fā)揮完全的性能,實際通過的有效風量與散熱效果關系密切,而散熱片會對風量造成影響的指標就是“風阻”了.
風阻,正如其名,是物體對流過氣流的阻礙作用,但卻不能如電阻、熱阻般用具體數值來衡量.通常,以風量與進/出口壓強差繪制出壓強-流量曲線(P-Q曲線),這條曲線便是散熱器對通過氣流的阻礙效果——相同壓強差下,風阻越小,風量越大;相同風量下,風阻越大,壓強差越大.
那么風阻是否越小越好呢?如果能保證有效散熱面積,當然!可惜,散熱片的有效散熱面積與風阻往往不能兩全,在提高有效散熱面積的同時,難免增大風阻,在散熱片結構設計過程中就需要進行權衡了.散熱片設計一旦確定,風阻(P-Q曲線)也就基本確定下來,我們能夠做的,只有為它選配合適的風扇,令其發(fā)揮出設計應有性能了.為散熱片搭配合適的風扇,需結合散熱片阻抗(風阻)曲線與風扇特性曲線進行分析.
目前散熱片主要采用Extruded(擠壓技術);Skiving(切割技術);Fold FIN(折葉技術);Forge(鍛造技術),四種制造技術.顧名思義,切割技術其實就是把一塊塊的金屬,用專用切割機切出散熱片來.使用這種切割技術加工的散熱片將會很薄和很精密,這樣就會有效地增加散熱面積.和擠壓技術一樣,切割技術也很適合鋁材,因為鋁材的重量和密度上都有著輕便和相對較低的特點,這樣的材料就很適合其散熱器制造和任意改良散熱器.而采用銅材質的散熱器切割起來就多一些難度,對技術要求較高.
常見導熱材料傳導、密度系數表:
散熱器的制作材料在很大程度上決定了散熱器性能的高低.很多工程師認為使用金、銀作為散熱器制作材料會大大提升散熱效果,但從上表中我們可以看到,熱傳導系數最高的并不是人們想象的金屬元素而是非金屬,而且金、銀的導熱能力可不是十分突出.
在金屬單體中,銅的熱傳導系數與銀十分接近,而金的熱傳導率卻要遠小于銅,而且金銀的價格昂貴,不適合大批量制作散熱器.我們常見的散熱器經常使用銅、鋁.除了其導熱能力相對較好,材料成本比較低外,其加工相對容易,方便大批量生產也是一個重要的因素.銅的熱傳導率約是鋁的1.69倍,采用銅制散熱器從理論上會比鋁制散熱器散熱效果更好.但是鋁的密度比銅低很多,所以一般來說,采用鋁為原料制作散熱片比較容易加工.
常見材料的熱導系數如下:
常見材料的TCE(熱膨脹系數)值如下:
各種鋁合金材料根據不同的需要,通過調整配方材料的成分與比例,可以獲得各種不同的特性,適合于不同的成形、加工方式,應用于不同的領域.列出的5種不同鋁合金中:AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導能力與加工性,適合于擠壓成形工藝,在散熱片加工中被廣為采用.ADC12適合于壓鑄成形,但熱傳導系數較低,因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替,可惜加工機械性能方面不及ADC12.AA1050則具有較好的延展性,適合于沖壓工藝,多用于制造細薄的鰭片.根據已知的工藝-材料-結構關系式,應該選用能夠提供最大經濟效益的材料.6063合金的歷史和最新發(fā)展表明,它將是散熱器功能材料領域上最有力的競爭者.
6063鋁合金散熱器以熱阻特性值為基本判據的電力半導體器件用特殊機械產品,因此作為散熱器擠壓型材以及合金的潛在性能,具有以下特點:
1)具有較好的可擠壓性,以能適應各種形狀散熱器表面積要求;
2)良好的機加工性能;
3)適宜的力學性能,尤其是機械強度和蠕變的性能以及物理性能;
4)具有吸引力的商品外觀,一定的耐蝕性,以及陽極化著色的處理的能力.
鋁合金型材散熱器從冷卻方式上分為自然冷卻和強迫風冷.從結構上分為電子元件型、平板晶閘管型、螺栓晶體管型、功率模塊型等.散熱器表面經電泳涂漆發(fā)黑或陽極氧化發(fā)黑粉末噴涂處理后,進一步提高產品的耐腐蝕性、耐磨性,其散熱量在自然冷卻下提高10%~15%,在強迫風冷下提高30%,電泳涂漆后表面可耐壓500V~800V.
在元器件布局時,應將發(fā)熱器件安放在下風位置或在印制板的上部,散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理,以提高輻射率.散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設計.而黑色有很好的吸熱性能.另外噴涂三防漆后會影響散熱效果,需要適當加大裕量.散熱器安裝器件的平面要求光滑平整,一般在接觸面涂上硅脂以提高導熱率.一般散熱器廠商提供特定散熱器材料的形狀參數和熱阻特性曲線,據此設計人員可以根據計算出的熱阻求出所需散熱器的表面積、長度、重量.
常見的導熱油脂包括兩種:人工合成的無硅散熱油脂和含硅的散熱油脂;常見的散熱片如下圖: 電抗器相關文章:電抗器原理
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