開關電源的散熱設計

王忠

（安徽蚌埠中國電子科技集團公司第41研究所，安徽蚌埠，233006）

1　概述

由于開關電源中使用了大量的大功率器件，它們在工作時會產生大量的熱量，電源內部過高的溫升將會導致對溫度敏感的功率器件等元器件的失效。因此，電源的散熱設計對提高開關電源乃至整套電子設備的工作可靠性顯得尤為重要。

2　散熱有三種基本方式

（1）熱傳導:靠物體直接接觸或物體內部之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導。其機理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間，分子動能的相互傳遞。（2）對流換熱:熱量通過熱傳導的方式傳給與它緊靠在一起的流體層，這層流體受熱后，體積膨脹，密度變小，向上流動，周圍的密度大的流體流過來填充，填充過來的流體吸熱膨脹向上流動，如此循環(huán)，不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量，這一過程稱為對流換熱。對流換熱的計算一般采用牛頓所提出的公式：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A為與流體接觸的壁面面積[m2]，α為對流換熱系數(shù)，θ1為壁面溫度[K]，θ2為流體平均溫度[K]。（3）熱輻射:由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射。它是將物體的一部分熱能轉換成電磁波的能量，通過能傳遞電磁波的介質如空氣、真空等，向四周傳播出去，當遇到其它物體時，則一部分被吸收再轉化為熱能，剩下的則被反射回來。各種物體所散發(fā)出來的紅外線，即是熱輻射的一種。在真空或空氣中，物體輻射出去的輻射能力Φ，決定于物體的性質、表面狀況（如顏色、粗糙度等）、表面積大小及表面溫度等。物體表面顏色越深，越粗糙，輻射能力越強。

3　開關電源的散熱設計

3.1　開關電源主要散熱方式

開關電源中各發(fā)熱源，如整流橋、功率開關管、快恢復二極管、磁性元件以及作為假負載的大功率電阻等，這些元器件所產生的熱量必須散發(fā)出去，一般熱設計所采用的散熱方式主要是傳導換熱和對流換熱。即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過熱傳導方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過對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。

3.2　散熱設計的基本要求

在開關電源的散熱設計中，選擇適當?shù)耐緩綄崃總鬟f出去，達到元器件降溫的目的。具體要求是：第一：通過散熱設計在滿足性能指標的前提下，減少電源內部產生的能量；第二：通過散熱設計減少熱阻；第三：通過散熱設計來保證電源能在較低的溫度條件下工作，保持性能穩(wěn)定，提高可靠性。

實踐證明，散熱設計得好，對保持性能穩(wěn)定、提高工作壽命有明顯的作用。經過散熱設計可以降低元器件的工作溫度，元器件的失效率明顯降低，便提高了整機的工作可靠性和延長使用壽命。

3.3　散熱設計的基本原則

(1)從有利于散熱的角度，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應小于2cm，器件在印制版上的排列方式應遵循一定的規(guī)則。(2)對于采用自由對流空氣冷卻的設備，最好是將器件按縱長方式排列，對于采用強制空氣冷卻的設備，最好是將器件按橫長方式排列。(3)同一塊印制板上的器件應盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件放在冷卻氣流最下游。 (4)在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置。（5）對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域，不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個器件最好是在水平面上交錯布局。 （6）設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以合理配置器件或印制電路板。

3.4　散熱設計中常用的幾種方法

3.4.1使用散熱器

功率器件是電源設備中的關鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機可靠性。散熱能力越強，所能承受的功耗就越大。對于大功率器件來說，僅靠其引線和封裝外殼散熱無法滿足散熱要求，需要配置合理散熱器進行散熱。在選擇和安裝時應該注意，第一：在保證要求的前提下，盡量選用體積小、重量輕的散熱器；第二：安裝時應盡量增大器件和散熱器的接觸面積和壓力，還要用導熱硅脂涂在接觸面，這樣做可以使接觸電阻降低20%~35%；第三：散熱器表面應粗糙、涂黑色，以加強輻射散熱的效果。

3.4.2使用冷卻風扇

對于大功率電源來說，因為有發(fā)熱量較大的器件，通常采用自然風冷與風扇強制風冷結合的形式。采用自然風冷時，一般選用帶翅片或叉指形的散熱器，在安裝時盡量使散熱片的葉片豎直向上放置，便于空氣的對流。強制風冷是利用風扇強制空氣對流，使功率器件周圍的熱氣流以高的速度將熱量帶走，在風道的設計上盡量使散熱片的葉片軸向與風扇的氣流方向一致，越是散熱量大的器件越要靠近排氣風扇。

3.4.3金屬PCB

隨著開關電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運用，散熱片難于安裝到功率器件上。為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的散熱性遠好于傳統(tǒng)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(huán)氧玻纖布粘結片或高導熱的環(huán)氧樹脂，它是可以雙面貼裝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。

3.4.4發(fā)熱元件的布局

開關電源中主要發(fā)熱元件有多種，發(fā)熱元件布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小，由小到大排列，發(fā)熱量越小的器件越要排在開關電源風道風向的上風處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風扇。發(fā)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。

4.總結

開關電源在研制過程中，做好熱設計是提高產品可靠性必不可少的方法。對電源應該從元器件、電路板及環(huán)境三個層次進行熱設計。對于不同功率的電源，要合理利用自然冷卻和強迫風冷。應注意到要改善電源內部的電子元器件向機殼的傳熱能力和提高機殼向外界的熱傳遞能力，切實有效的提高開關電源的可靠性。