中心議題：

• 開關電源熱設計中常用的幾種方法

解決方案：

• 半導體器件的散熱器設計
• 自然風冷與強製風冷
• 金屬pcb
• 發熱元件的布局

1. 引言

開關電源已普遍運用在當前的各類電子設備上
，其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3，目前已高達數百瓦每立方英寸。由於開關電源中使用了大量的大功率半導體器件，如整流橋堆
、大電流整流管、大功率三極管或場效應管等器件。它們工作時會產生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時地排出並使之處於一個合理的水平將會影響開關電源的正常工作，嚴重時會損壞開關電源.為提高開關電源工作的可靠性
，熱設計在開關電源設計中是必不可少的重要一個環節。

2.熱設計中常用的幾種方法

為了將發熱器件的熱量盡快地發散出去，一般從以下幾個方麵進行考慮：使用散熱器、冷卻風扇、金屬pcb、散熱膏等。在實際設計中要針對客戶的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。

3.半導體器件的散熱器設計

由於半導體器件所產生的熱量在開關電源中占主導地位，其熱量主要來源於半導體器件的開通、guanduanjidaotongsunhao。congdianlutuopufangshishanglaijiang，caiyonglingkaiguanbianhuantuopufangshichanshengxiezhenshidianluzhongdedianyahuodianliuzaiguolingshikaitonghuoguanduankezuidaxiandudijianshaokaiguansunhaodanyewufachedixiaochukaiguanguandesunhaoguliyongsanreqishichangyongjizhuyaodefangfa。

3.1散熱器的熱阻模型
由於散熱器是開關電源的重要部件，它的散熱效率高與低關係到開關電源的工作性能。散熱器通常采用銅或鋁，雖然銅的熱導率比鋁高2倍bei但dan其qi價jia格ge比bi鋁lv高gao得de多duo，故gu目mu前qian采cai用yong鋁lv材cai料liao的de情qing況kuang較jiao為wei普pu遍bian。通tong常chang來lai講jiang，散san熱re器qi的de表biao麵mian積ji越yue大da散san熱re效xiao果guo越yue好hao。散san熱re器qi的de熱re阻zu模mo型xing及ji等deng效xiao電dian路lu如ru下xia圖tu所suo示shi。

半導體結溫公式如下式如示：
pcmax(ta)=(tjmax-ta)/θj-a(w)-----------------------(1)
pcmax(tc)=(tjmax-tc)/θj-c(w)-----------------------(2)

其中

，pc:功率管工作時損耗；pc(max):功率管的額定最大損耗；tj:功率管節溫；tjmax:功率管最大容許節溫；ta:環境溫度；tc:預定的工作環境溫度；θs:絕緣墊熱阻抗；θc:接觸熱阻抗(半導體和散熱器的接觸部分)；θf:散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)；θi:內部熱阻抗(pn結接合部與外殼封裝)；θb:外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

根據圖2熱阻等效回路,全熱阻可寫為：
θj-a=θi+[θb*(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf)----------------(3)

又因為θb比θs+θc+θf大很多，故可近似為：
θj-a=θi+θs+θc+θf---------------------(4)
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①pn結與外部封裝間的熱阻抗(又叫內部熱阻抗)θi是由半導體pn結構造

、所用材料、外部封裝內的填充物直接相關.每種半導體都有自身固有的熱阻抗.

②接觸熱阻抗θc是由半導體、封裝形式和散熱器的接觸麵狀態所決定.接觸麵的平坦度、粗糙度、接觸麵積、安裝方式都會對它產生影響。當接觸麵不平整
、不光滑或接觸麵緊固力不足時就會增大接觸熱阻抗θc。在半導體和散熱器之間塗上矽油可以增大接觸麵積
，排除接觸麵之間的空氣而矽油本身又有良好的導熱性，可以大大降低接觸熱阻抗θc。

當前有一種新型的相變材料，專門設計用采取代矽油作為傳熱介麵，在65℃（相變溫度）時shi從cong固gu體ti變bian為wei流liu體ti，從cong而er確que保bao界jie麵mian的de完wan全quan潤run濕shi
，該gai材cai料liao的de觸chu變bian特te性xing避bi免mian其qi流liu到dao介jie麵mian外wai。其qi傳chuan熱re效xiao果guo與yu矽gui油you相xiang當dang
，但dan沒mei有you矽gui油you帶dai來lai的de汙wu垢gou，環huan境jing汙wu染ran和he難nan於yu操cao作zuo等deng缺que點dian。用yong於yu不bu需xu要yao電dian氣qi絕jue緣yuan的de場chang合he。典dian型xing應ying用yong包bao括kuocpu散熱片，功率轉換模塊或者其它任何簧片固定的矽油應用場合，它可塗布在鋁質基材的兩麵，可單麵附膠，雙麵附膠或不附膠。    

③絕緣墊熱阻抗θs
絕緣墊是用於半導體器件和散熱器之間的絕緣.絕緣墊的熱阻抗θs取決於絕緣材料的材質、厚度、麵積。下表中列出幾種常用半導體封裝形式的θs+θc

④散熱器熱阻抗θf
散熱器熱阻抗θf與散熱器的表麵積、表麵處理方式、散熱器表麵空氣的風速、散熱器與周圍的溫度差有關。因此一般都會設法增強散熱器的散熱效果
，主要的方法有增加散熱器的表麵積、設計合理的散熱風道、增強散熱器表麵的風速。散熱器的散熱麵積設計值如下圖所示：     

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但dan如ru果guo過guo於yu追zhui求qiu散san熱re器qi的de表biao麵mian積ji而er使shi散san熱re器qi的de叉cha指zhi過guo於yu密mi集ji則ze會hui影ying響xiang到dao空kong氣qi的de對dui流liu，熱re空kong氣qi不bu易yi於yu流liu動dong也ye會hui降jiang低di散san熱re效xiao果guo。自zi然ran風feng冷leng時shi散san熱re器qi的de叉cha指zhi間jian距ju應ying適shi當dang增zeng大da，選xuan擇ze強qiang製zhi風feng冷leng則ze可ke適shi當dang減jian小xiao叉cha指zhi間jian距ju。如ru上shang圖tu所suo示shi：

⑤散熱器表麵積計算
s=0.86w/(δt*α)(m2)

δt:散熱器溫度與周圍環境溫度（ta）的差（℃）

α：熱傳導係數，是由空氣的物理性質及空氣流速決定。α由下式決定。
α=nu*λ/l()

其中，λ:熱電導率（kcal/m2h）空氣物理性質
；l：散熱器高度（m）
；nu：空氣流速係數。由下式決定：

nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

v：動粘性係數（m2/sec）,空氣物理性質。v’:散熱器表麵的空氣流速(m/sec)
；pr:係數,見下表     

3.2散熱設計舉例
[例]2scs5197在電路中消耗的功率為pdc=15w,工作環境溫度ta=60℃,求在正常工作時散熱器的麵積應是多少?

解:查2scs5197的產品目錄得知:pcmax=80w(tc=25℃),tjmax=150℃且該功率管使用了絕緣墊和矽油.θs+θc=0.8℃/w

從(2)式可得
θi=θj-c=(tjmax-tc)/pcmax-=(150-25)/80≒1.6℃/w

從(1)式可得
θj-a=(tjmax-ta)/pdc=(150-60)/15=6℃/w

從(4)式可得
θf=θj-a－(θi＋θc＋θs)≒6－(1.6+0.8)=3.6℃/w

根據上述計算散熱器的熱阻抗須選用3.6℃/w以下的散熱器.從散熱器散熱麵積設計圖中可以查到:使用2mm厚的鋁材至少需要200cm2,因此需選用140*140*2mm以上的鋁散熱器.

注：在實際運用中
，tjmax必須降額使用
，以80%額定節溫來代替tjmax確保功率管的可靠工作。

4、自然風冷與強製風冷

zaikaiguandianyuandeshijishejiguochengzhong
，tongchangcaiyongziranfenglengyufengshanqiangzhifenglengerzhongxingshi。ziranfenglengdesanrepiananzhuangshiyingshisanrepiandeyepianshuzhixiangshangfangzhi，ruoyoukenengzekezaipcb上散熱片安裝位置的周圍鑽幾個通氣孔便於空氣的對流。
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強(qiang)製(zhi)風(feng)冷(leng)是(shi)利(li)用(yong)風(feng)扇(shan)強(qiang)製(zhi)空(kong)氣(qi)對(dui)流(liu)
，所(suo)以(yi)在(zai)風(feng)道(dao)的(de)設(she)計(ji)上(shang)同(tong)樣(yang)應(ying)使(shi)散(san)熱(re)片(pian)的(de)葉(ye)片(pian)軸(zhou)向(xiang)與(yu)風(feng)扇(shan)的(de)抽(chou)氣(qi)方(fang)向(xiang)一(yi)致(zhi)
，為(wei)了(le)有(you)良(liang)好(hao)的(de)通(tong)風(feng)效(xiao)果(guo)越(yue)是(shi)散(san)熱(re)量(liang)大(da)的(de)器(qi)件(jian)越(yue)應(ying)靠(kao)近(jin)排(pai)氣(qi)風(feng)扇(shan)
，在(zai)有(you)排(pai)氣(qi)風(feng)扇(shan)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，散(san)熱(re)片(pian)的(de)熱(re)阻(zu)如(ru)下(xia)表(biao)所(suo)示(shi)：

5
、金屬pcb

隨著開關電源的小型化，表麵貼片元件廣泛地運用到實際產品中
，這時散熱片難於安裝到功率器件上。當前克服該問題主要采取金屬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的散熱性遠好於傳統的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熱的環氧玻纖布粘結片或高導熱的環氧樹脂，它是可以雙麵貼裝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中的金屬板來散熱。     

6
、發熱元件的布局

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)主(zhu)要(yao)發(fa)熱(re)元(yuan)件(jian)有(you)大(da)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)及(ji)其(qi)散(san)熱(re)器(qi)，功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)變(bian)壓(ya)器(qi)，大(da)功(gong)率(lv)電(dian)阻(zu)。發(fa)熱(re)元(yuan)件(jian)的(de)布(bu)局(ju)的(de)基(ji)本(ben)要(yao)求(qiu)是(shi)按(an)發(fa)熱(re)程(cheng)度(du)的(de)大(da)小(xiao)，由(you)小(xiao)到(dao)大(da)排(pai)列(lie)
，發(fa)熱(re)量(liang)越(yue)小(xiao)的(de)器(qi)件(jian)越(yue)要(yao)排(pai)在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)風(feng)道(dao)風(feng)向(xiang)的(de)上(shang)風(feng)處(chu)，發(fa)熱(re)量(liang)越(yue)大(da)的(de)器(qi)件(jian)要(yao)越(yue)靠(kao)近(jin)排(pai)氣(qi)風(feng)扇(shan)。

為了提高生產效率，經常將多個功率器件固定在同一個大散熱器上，這時應盡量使散熱片靠近pcb的邊緣放置。但與開關電源的外殼或其它部件至少應留有1cmyishangdejuli。ruozaiyikuaidianlubanzhongyoujikuaidadesanreqizetamenzhijianyingpingxingqieyufengdaodefengxiangpingxing。zaichuizhifangxiangshangzefarexiaodeqijianpaizaizuidicengerfaredadeqijianpaizaijiaogaochu。

發熱器件在pcb的布局上同時應盡可能遠離對溫度敏感的元器件

，如電解電容等。

7

、結語

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)熱(re)設(she)計(ji)應(ying)充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)產(chan)品(pin)所(suo)處(chu)的(de)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)及(ji)實(shi)際(ji)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)並(bing)將(jiang)上(shang)述(shu)幾(ji)種(zhong)方(fang)法(fa)綜(zong)合(he)運(yun)用(yong)才(cai)能(neng)設(she)計(ji)出(chu)既(ji)經(jing)濟(ji)又(you)能(neng)充(chong)分(fen)保(bao)證(zheng)半(ban)導(dao)體(ti)散(san)熱(re)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)。