開關電源的熱設計

　　開關電源內部的溫升過高，將會導致對溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性就要下降10％；溫升50℃時的壽命只有溫升25°C時的1/6。除了電應力之外，溫度是影響開關電源可靠性的最重要的因素。高頻開關電源有大功率的發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一。完整的熱設計包括兩個方面：一是如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二是如何將發(fā)熱源產生的熱量散發(fā)出去，使開關電源的溫升控制在允許的范圍之內，以保證開關電源的可靠性。下面從兩個方面加以說明。

　?。?）控制發(fā)熱量的設計

　　開關電源中主要的發(fā)熱元器件為半導體開關管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同的元器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開關電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且還可以提高開關電源的可靠性，提高平均無故障時間（MTBF）。開關管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關管的損耗由開關過程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過選用低通態(tài)電阻的開關管來減小通態(tài)損耗；開關過程損耗是由于柵電荷大小及開關時間引起的，減小開關過程損耗可以選擇開關速度更快、恢復時間更短的器件來實現(xiàn)。但更為重要的是通過設計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術來減小損耗，如采用軟開關技術，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會有更好的控制技術來減小損耗，可以通過選擇高質量的二極管來減小損耗。對于變壓器次級的整流可以選擇效率更高的同步整流技術來減小損耗。對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免集膚效應，對于集膚效應造成的影響，可以采用多股細漆包線并繞的辦法來解決。

　?。?）開關電源的散熱設計

　　功率MOSFET管導通時有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可以表示為：

　　式中 Tj——額定結溫（Tj＝150℃）；

　　 Tc——殼溫：

　　 RT——結到管殼之間的穩(wěn)態(tài)熱阻。

　　Tj代表器件的耐熱能力，Tc和RT代表器件的散熱條件，而PD則是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。

　　散熱有三種基本方式：即熱傳導、熱輻射和熱對流。根據散熱的方式，可以選用自然散熱；力l裝散熱器；或選擇強制風冷：加裝風扇。加裝散熱器主要是利用熱傳導和熱對流，即所有的發(fā)熱元器件都固定在散熱器上，熱量通過傳導的方式傳遞到散熱器上，散熱器上的熱量再通過能流換熱的方式由空氣帶出機箱。實際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合，可以用牛頓公式統(tǒng)一來表達：

　　式中 S——散熱表面積；

K——表面散熱系數(shù)。

　　表面散熱系數(shù)通常由試驗來確定，在一般的工程流體力學中有數(shù)據可查。它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來了。

　　通過Φ＝KST，可以在計算出耗散功率之后，根據允許的溫升r來確定散熱表面積S，并由此而確定所要選擇的散熱器。這種計算對于提高開關電源的可靠性、功率密度、性能價格比等，都有重要意義。如果采用強制風冷，如裝風扇，則對整流模塊來說，風扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制約整流模塊提高MTBF的瓶頸，所以采取各種措施提高散熱效率來延長風扇的壽命具有重要意義。