电源的散热特性及散热设计.docx
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电源的散热特性及散热设计
电源的散热特性及散热设计
⏹简介
⏹散热管理的最大化
⏹热传导基础
⏹热传输模型
⏹传导
⏹对流
⏹幅射
⏹半导体器件的散热
⏹选择正确的散热方式
⏹挤压数据
⏹温升及校正因子
⏹散热能力的模型
介绍
在许多电子设备和装置中,温升成为系统中越来越重要的因素,特别在开关电源中,开关和导通损耗可使半导体器件超出其最高结温(Tjmax),并导致性能变坏和失效。
因此,器件的温升必须能计算并设计好散热器。
使其不超出最高结温Tjmax。
为了给出好的散热方案,使之永远保持在较低的工作温度之下。
散热管理的最大化
散热管理决定于PCB板布局设计和散热器设计。
它要可行,而且花费较少的代价。
在设计中决定散热方案,要有最好的方案,更大的柔性,更多的选择,还要尽可能减少或防止器件的失效。
电源设计更多的问题出现在热设计中,它是整个系统设计的最后的关键阶段。
热传输的基础
在两个表面有不同温度时,即出现热传输现象。
于是热能从较热的表面传至较冷的表面。
同理,温度强制从高到低。
如果温差增加,则总的热流也将增加。
⏹热传输和温差
项目及定义
热负载产生的热能总量。
通常定义为器件压降与流过电流的乘积。
环境温度周围空气温度立即围绕器件,令其冷却。
最高结温器件的硅PN结的最高允许的温度。
热阻热能从热处到冷处流动中对热能的阻力。
其为两处温差与传输总热能之比。
低的热阻属于好的性能。
结到壳电子器件硅的PN结到封装外壳的热阻。
壳到散热器为两者之间隔离材料的热阻。
散热器到环境为散热器的热阻。
⏹热传导模式
共有三种热传导模式
1,传导2,对流3,幅射
下面分别叙述:
1,传导.传导是热能通过或从中跨过的传输方式。
此处Q热量﹑K热导率﹑Ac传导面积﹑ΔT温度﹑t材料厚度及长度系数。
如果保持ΔT和t,则Q正比于Ac。
如果保持ΔT和Ac,则Q反比于t。
如果保持Ac和t,则Q正比于ΔT。
(1)电路分析
电气学热力学
(2)传导阻抗(热阻)
不同材料的t﹑K﹑及Q(TO-220).
不同散热器的K及使用方法.
(3)热导率(K).
热导率的范围与各种材料的形状,在正常温度及压强之下的关系。
纯金属合金非金属固体绝缘系统液体气体
(4)传导应用点滴
*所有接口表面为有锯齿的平面,都使用了散热膏或接口处的绝缘垫。
*半导体器件所处的空间有均匀的功率密度。
*如果设备周围部分用于散热,要确认其材料厚度,接触面积要足够,并掌控所要的功率密度。
2.对流
对流是热能从一个热表面流动移去(如空气,水等)后降温,这是最难计算的导热模式,仅能用数学计算来预计。
Q为热量,hc导热系数,As表面积,Ts表面温度,Ta环境温度,Θ热阻。
共有两种对流形式:
a.自然。
b.强制风冷。
a.自然对流
自然对流是由没有强制力产生的液体流或气体流,它是从不同的密度下产生的由温度变化导致的气流。
在合适的设计中,自然对流散热工作在海平面条件下有大约7%的热量由自然对流传走,30%由幅射传出。
在更高的海拔处,对流会变得更少,这是由于空气减少造成的。
自然对流应用点滴.
1.机壳和机柜在其顶部和底部将足够通气。
2.当机柜为不同长度时,防止散热通道太短,通常放在机柜较长的一面。
3.发热器件放在靠近顶部,易于冷却,而将散热元件放在底部。
4.当有较多电路板时,最好垂直放置各板,这样容易散热。
5.在挤出的散热板上的散热片要垂直成一直线,以适应自然冷却。
b.强制对流
强制对流是流动的气流由外力作用产生,即风扇﹑风泵等。
例如:
在180LFM幅射热量传输的产生仅占2%~7%。
因此,表面加工处理状况不是太重要的散热特性因素。
未精加工的铝散热器,例如一个未作氧化处理的散热器,由于低的散热温度,会有大的对流贡献。
在海平面处幅射热的传输通常不用管它,因为它的贡献相当小。
强制气流
PCB热元件
速度临界层在一个平的金属板上
⏹δ随X增加而增加。
⏹δ随速度增加而减小。
热传导边界层的隔热平板
⏹温度梯度随X(从前沿计算)增加而减小。
⏹δ随X增加而增加。
(这表示为什么有锯齿的散热片不能工作)
⏹δ薄过锯齿的深度。
热的边界层与锯齿散热比较
分层与平板散热器的湍流开发.
X=特性长度,从前沿到此处的距离。
Xc=开始热传输处开始的距离。
⏹雷诺数是一个无量纲的数,它比较惯性力和粘性力。
⏹Rex是已知为1*105~3*106,其取决于表面粗糙程度和自由气流的搅扰程度。
〝h〞(对流系数)
对流系数h在下面的流体特性中是一个非常敏感的小变量。
⏹热传导性
⏹动态粘度
⏹密度
⏹专门的热度
⏹速度
⏹气流类型(分层的还是搅扰的)
空气对流传输通常出现在大约180LFM(空气流)时,并随气流速度增加而增加。
速度边界层厚度~整个隔热层的热传导系数.
散热器空间~h和A的关系
h是散热器空间和散热器高度的函数,散热器的空间控制着的自由气流As随空间减小而增大。
散热器效率
如果:
1.Fin的长度减小。
2.Fin厚度增大。
3.Fin的K值增加。
4.h(热传导系数)减小。
则散热器效率将提高。
强制风冷,h可增加到70%范围。
强制风冷应用点滴
a.PCB板上装的散热器要相互错开,能令气流通畅经过散热器。
b.小心地摆位散热器,令气流流过散热器。
c.强制风冷要安排出自然对流的空气通路。
3.幅射
幅射是热能传输的另一种形式,它是由两个不同温度表面之间电磁波方式的传输,在真空状态时最有效。
热传导项及定义:
放射
幅射产生的过程,它由物质在有限温度下产生
吸收
幅射被物质截断后的变换过程为内部热能.
黑体
理想的发射体和吸收体
发射率
幅射发射的比率,由幅射发射的表面射出,由黑体在相同温度下做出
幅射(斯帝芬-保尔兹曼方程)
此处,
Q:
发热量(W)Q:
热阻(℃/W)ε:
发射率σ:
斯帝芬-保尔兹曼常数(5.67*108/
)Ar:
幅射表面积Ta:
环境温度Ts:
表面温度hr:
幅射热传输系数.
ε发射率
图:
发射率值随表面的变化
典型的各种表面的发射率
幅射应用点滴
1.最大的发射表面积。
2.最大的未妨碍工作的表面面积。
3.仅幅射的可看见的表面。
散热片幅射到其它处彼此之间的面积。
4.使用高导热率散热片及接口材料以减小热阻。
从机壳到幅射表面增加散热面与环境空气之间的温差。
⏹从半导体器件表面移去热量
⏹选择正确的散热器
下面一些参数是做决定必需的散热参数。
1.Q---总发热量
2.Tjmax---允许的最高结温(℃),由制造商提供。
3.Ta---环境气流温度(℃)。
4.Rθjc---器件热阻,制造商给出。
5.Rθcs---接触材料热阻。
6.热阻率ρ,厚度t,接触面积A。
7.自然的或强制的对流冷却。
8.空气流(LFM)
实例
一个TO-220封装器件,散出4W(θ),Tj=150℃,Ta=50℃,Rθjc=℃/W。
因此,散热器热阻可由下式计算:
假设:
接触材料为硅脂。
0.002英寸厚度。
0.36in2接触面积。
硅脂热阻为θcs=1.13℃/W.
因此,
Θsa=20.87℃/W,温升=83.48℃。
因此,需要的散热片的热阻少于20.87℃/W或温升低于83.48℃。
挤压数据
项目及定义
60270
挤压出的五位数,基于散热器给出。
in2/in
挤压的交界部分表面的周长,也是每英寸长的表面面积,此值用于预估热阻θsa,,用做性能因子。
Ib/ft
挤压件每脚的重量。
℃/W/3in
理论热阻(℃/W)对3英寸片状自然对流体的这个计算其于下面的假设条件。
⏹散热器到环境ΔT=75℃
⏹阳极氧化成黑色体。
⏹单一点热源。
在此3英寸部分的中心处。
温度校正因子
自然对流
由于ΔT减小,散热器效率也减小。
因此,校正℃/W/3in=温度校正*公布℃/W/3in
长度校正因子
公布的热特性
⏹自然对流。
⏹3inch长散热片。
⏹热源位于中心点。
因此,长度校正*公布数据℃/W/3in=校正值℃/W。
导热模型的能力
热参数分析
1.自然对流
2.强制对流
3.延伸热阻
4.瞬态分析
5.冷却板分析
自然对流分析
强制对流/在给定气流下的延伸
在15W平板中心的延伸热阻
占空比下的瞬态分析
最佳设计
各种气流下的散热器最佳状态。
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- 关 键 词:
- 电源 散热 特性 设计