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电源模块散热的方法及产品散热实际计算

电源模块热能从高温区传递到低温区的基本方式有三种:辐射、传导和对流。

辐射:不同温度的两个物体间热量的电磁传递。

传导:热量通过固体介质的传递。

对流:热量通过流体介质(空气)的传递。

在各种实际应用中,所有三种热量传递的方式都有不同程度的作用。在大部分应用中,对流是最主要的热量传递方式,若再加上另外两种散热方式,效果更佳。但在某些情况下,这两种方式也可能带来反效果。因此,设计优良的散热系统时,所有三种热量传递方式都应当认真考虑。

1、传导散热

在许多应用中,电源模块基板上的热量要经导热元件传导到较远的散热面上。这样,电源模块基板的温度将等于散热面的温度、导热元件的温升及两接触面的温升之和。导热元件的热阻与其长度L成正比,与其截面积及导热率反比,选用适当的材料和截面积,也可以减小导热元件的热阻。在安装空间和成本都允许的条件下,应选用热阻值最小的散热器。应当记住,电源模块基板温度略微降低一点,平均无故障时间(MTBF)就会显著提高。

散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意。在大部分应用中,电源模块产生的热量将从基板传导到散热器或导热元件上。但是在电源模块基板和导热元件之间的接触面上将产生温度差,这种温度差必须加以控制, 热阻串联在散热回路中,基板的温度应为接触面的温升和导热元件的温度之和。如果不加控制,接触面的温升会特别明显的。接触面的面积应尽可能大一些,并且接触面的平滑度应当在5密耳(0.005英寸)以内。为了消除表面的凹凸不平,在接触面上应填充导热胶或导热垫。)采取适当的措施后,接触面的热阻可降到0.1℃/W以下。只有降低散热热阻(RTH)或降低功耗(Ploss)才能降低温升,增加TAmax,电源的最大输出功率跟应用环境温度有关,影响参数包括损耗功率Ploss、热阻RTH和最高电源壳温TC.效率高和散热较佳的电源温升会较低。在标称功率输出时,它们的可用温度会有余量。效率较低或散热较差的电源的温升会较高。它们需要风冷或降额使用。

金属材料热传导系数

金317W/mK

银429W/mK

铜401W/mK

铁48W/mK

铝237W/mK

AA6061铝合金155W/mK

AA6063铝合金201W/mK

ADC12铝合金96W/mK

AA1070铝合金226W/mK

AA1050铝合金209W/mK

2、辐射散热

当两个不同温度的介面相对时,将产生热量的连续辐射传递。辐射对个别物体温度的最终影响决定于许多因素:各部件的温度差、有关部件的方位、部件表面的光洁度以及彼此的间隔等。由于很难把这些因素量化,加上周围环境本身的辐射式能量交换的影响,因此计算辐射对温度的影响很复杂,而且很难精确。

电源变换器模块实际应用中,不可能单依靠辐射式散热作为转换器的冷却方法。在大部分情况下,辐射只能散去总热量的10%或以下,因此,辐射散热通常只能作为主要散热方式以外的一种辅助手段,并且热设计时通常也不考虑它对)电源模块温度的影响。在实际应用中,通常变换器模块的温度都高于环境温度,因此,辐射能量传递有助于散热。但是,在某些情况下,模块附近一些热源(功率器件板,大功率电阻等)的温度比)电源模块的温度更高,这些物体的热辐射将反而会使模块的温度升高。

在散热设计中,应根据热辐射可能产生的影响,合理安排变换器模块周围元件的相对位置。当发热元件靠近变换器模块时,为了减弱辐射的加热效应,在模块和发热元件之间应插入隔热板细薄的鳍片。

3、对流散热

对流散热是爱浦电源变换器常用的散热方法,对流通常分为自然对流和强制对流两种。热量从发热物体表面传递到温度较低的周围静止的空气中,称为自然对流;热量从发热物体表面传递到流动的空气中,称为强制对流。

自然对流的优点是容易实行、不需要风扇、成本较低、而且散热的可靠性很高。但是,与强制对流相比,为了达到相同的基板温度,所需散热器的体积较大。

自然对流散热器设计还应注意以下几点:

通常散热器都只给出垂直散热片的参数。水平散热片散热效果较差。如果须水平安装,应当适当地增加散热器的面积,也可采用强制对流散热。