1引言
高功率密度是开关电源发展的方向之一,通过热设计尽可能减少电源内部产生的热量、减少热阻以提高效率外、选择合理的冷却方式是开关电源热设计的基本任务.开关电源除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性最重要的因素.开关电源内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值时将导致元器件失效.温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示:
F=Ae-E/KT
其中:F=故障率,A=常数,E=功率,K=玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K),T=结点温度.
为解决此问题可从两方面入手:(1)从电路结构上减少损耗,如采用更优的控制方式和技术,如高频软开关技术、移相控制技术、同步整流技术等,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率;(2)运用更有效的散热技术,利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法.在较大功率开关电源中的主要散热方式是强制风冷,因此提高强制风冷效果的技术就成了研究的重点.合理的风道设计和在散热器前端加入扰流片引入紊流可显著的提高散热效果.
在尽量通过优化设计等方式而减少功率开关发热量的同时,一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理,将器件产生的热量快速释放到周围环境中去,以减少内部热累积,使元件工作温度降低.
2 开关电源的散热分析软件
目前开关电源研究者用flotherm或icepak电子系统散热仿真分析软件进行建模分析,但整个业界都还停留在传统人力分析热的阶段.用软件做热设计是最近才在中国业界流行起来的,热仿真不是无的放失,只有数据和模型提供的越准确,结果才越能反应真实情况,它主要是起一个指导作用.现在的电源行业要求体积小型化,原来的凭经验来设计散热器远不能满足发展的需要.
FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件,全球排名第一且市场占有率高达80%以上.其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,提供热设计组件模型,根据这些组件模型可以快速建立机箱,插框,单板,芯片风扇,散热器等电子设备的各组成部分.
FLOTHERM采用了成熟的CFD(Computational Fluid Dynamic计算流体动力学)和数值传热学仿真技术开发而成,同时它还结合了FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库,并拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库.应用FLOTHERM可以从电子系统应用的环境层、电子系统层、各电路板及部件层直至芯片内部结构层等各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析.它采用先进的有限体积法处理结构,可以同时在三维结构模型中模拟电子系统的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,其中对散热的三种状态可以完全独立分析.对于国防领域经常碰到的多种冷却介质(如局部液冷)、有太阳辐射的户外设备和必须要考虑器件之间局部遮挡的高精度辐射散热计算等情况,FLOTHERM软件的求解器更有完善的处理能力.FLOTHERM强大的前后处理模块不但可以直接转换各类主流MCAD和EDA软件设计好的几何模型以减少建立模型的时间,还可以将运算后的数据以温度场平面等势图和流体运动三维动画或报告等形式直观方便地显示出来.
flotherm 软件基本可以分为前处理,求解,后处理三个部分.前处理包括project manager,drawing board和flogate.project manager 用于项目管理,物性参数,网格参数,计算参数的设定等.drawing board提供一个可视化的建立机柜,插框,单板,芯片几何模型的界面和计算网格划分的工具.通过在project manager和drawing board中的互动操作就可以完成具体的建摸操作.flogate是一个数据接口模块,它可以把单板的装配图文件(IDF格式)导入flotherm,直接完成单板的建摸设计.求解器是flosolve模块,它可以完成模型瞬态及稳态的温度场和流场计算.后处理部分包括Visulation,flomotion和table.Visulation完成仿真计算结果的可视化显示flomotion除了也可以用于可视化显示外,还可以制作流场的动化显示,热分析模型的大量计算数据如某区域的平均温度,空气流量等都可以通过table模块查询.
icepak是美国fluent公司通过集成ICEM CFD公司的网格划分及后处理技术而开发成功的针对电子设备冷却分析的专用热设计软件,具有以下优点:
1)建模能力:除了有矩形,圆形建摸外,还有多种复杂形状模型,如椭球体,多面体,管道及斜坡等模型有thin-conduction模型 ;
2)网格技术:有结构化,非结构化网格;有四面体,有四面体六面体混合网格;能够对复杂模型快速生成高质量网格;支持结构化和非结构化的non-conformal网格;
3)求解器;FLUENT求解器能够求解多种流体介质问题;能够求解结构化,非结构化网格问题,支持网格并行.
3散热设计的一些基本原则
开关电源热设计的基本程序是:
1)首先明确设计条件,如电源的功耗、发热量、容许温升、设备外形尺寸、设备放置的环境条件等;
2)决定电源的冷却方式,并检查是否满足温度条件;
3)分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计;
4)按热设计检查表进行检查,确定是否满足设计要求.
4 印制电路板版的热设计
从有利于散热的角度出发,印制板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则:
1)对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列.
2)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游.
3)在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响.
4)对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局.
5)电源内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板.空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题.
5 电子芯片的热设计
如何对产品进行热设计,首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础.下面将对Datasheet中和散热有关的几个重要参数进行说明.
P—芯片功耗,单位W(瓦).功耗是热量产生的直接原因.功耗大的芯片,发热量也一定大.
Tc—芯片壳体温度,单位℃.
Tj—结点温度,单位℃.随着结点温度的提高,半导体器件性能将会下降.结点温度过高将导致芯片工作不稳定,系统死机,最终芯片烧毁.
Ta—环境温度,单位℃.
Tstg—存储温度,单位℃.芯片的储存温度.
Rja—结点到环境的热阻,单位℃/W.
Rjc—结点到芯片壳的热阻,单位℃/W
Ψjt--可以理解为结点到芯片上表面的热阻.当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数.
LFM--风速单位,英尺/分钟.
由于IC封装使测量无法接触到结点,因此直接测量IC结温比较困难.作为一种替代方法,可以利用结到外壳的热阻( JC)和外壳到外部环境的热阻( CA)计算结温,如图1所示.在确定IC的结温时,热阻是最重要的参数: JA = JC + CA.
图1. 利用热阻计算IC结温的热状态电模型
随着热设计的重要性不断提高,大部分的芯片资料都会提供提供Tj、Rjc、P等参数.基本公式如下:
Tj=Tc+Rjc×P
只要保证Tj﹤Tjmax即可保证芯片正常工作.
归根结底,我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值,芯片就可以正常工作.
如何判断芯片是否需要增加散热措施:
1)搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc、Tj等
2)计算Tcmax:Tcmax=Tj-Rjc×P
3)计算要达到目标需要的Rca:Rca＝(Tcmax-Ta)/P
4)计算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc
如果Rca大于 Rca’,说明不需要增加额外的散热措施.
如果Rca小于Rca’,说明需要增加额外的散热措施.比如增加散热器、增加风扇等等.
如前所述,Rja不能用于准确的计算芯片的温度,所以这种方法只能用于简单的判断.而不能用于最终的依据.
如UC3842A、UC3843A热特性:
6 PCB表面贴装电源器件的散热设计
以Micrel公司表贴线性稳压器为例,介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作.
1)系统要求:
VOUT=5.0V;VIN(MAX)=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;运行周期=100%;TA=50℃
根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A-5.0BU稳压器,其参数为:
VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况)
TJ MAX=125℃.采用TO-263封装,θJC=3℃/W;
θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上).
2)初步计算:
VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W
温度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;热阻θJA(最坏情况):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W.
散热器的热阻, θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大).
3)决定散热器物理尺寸:
采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔,并采用1.3米/秒的空气散热的方案相比较,后者的散热效果最好.
采用实线方案,保守设计需要5,000mm2的散热铜箔,即71mm×71mm(每边长2.8英寸)的正方形.
4)采用SO-8和SOT-223封装的散热要求:
在下面的条件下计算散热面积大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃.在允许的条件下,电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件.采用MIC2951-03BM(SO-8封装),可以得到以下参数:
TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W.
5)计算采用SO-8封装的参数:
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W;
升高的温度=125℃-50℃=75℃;
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W;
θSA=51-100=-49℃/W(最大).
显然,在没有致冷条件下,SO-8不能满足设计要求.考虑采用SOT-223封装的MIC5201-5.0BS调压器,该封装比SO-8小,但其三个引脚具有很好的散热效果.选用MIC5201-3.3BS,其相关参数如下:
TJ MAX=125℃
SOT-223的热阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的).
6)计算采用SOT-223封装的结果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W
上升温度=125℃-50℃=75℃;
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大).根据以上的数据,采用1,400 mm2的散热铜箔(边长1.5英寸的正方形)可以满足设计要求.
以上的设计结果可以作为粗略的参考,实际设计中需要了解电路板的热特性,得出更准确、满足实际设计的结果.
下表列出了普通表面安装的热阻额定值,详见数据手册.
表8典型的表面安装的热阻(单位:℃/W)
封装RjaRjc
SOD123340150
SOT2355675
SOT2231597.5
SO-86321
SMB13
SMC11
DPAK806
D2PAK502
7 强迫风冷散热方式的分析
通常条件下,热量的传递包括三种方式:传导、对流和辐射.传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递,对流是借助流体的流动传递热量,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量.
强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上,但是要增加风机、风机电源、联锁装置等,这不仅使设备的成本和复杂性增加,而且使系统的可靠性下降,另外还增加了噪声和振动,因而在一般情况下应尽量采用自然冷却,而不采用风冷、液冷之类的冷却方式.高频变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升.从经验来看,尽量保证磁体损耗和线圈铜损的相同,可使高频变压器的整体功耗最小,减小发热量.
在实际应用中,散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用.散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器,散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也能带走更大的热能.风扇的使用也分为两种形式,一种是直接安装在散热器表面,另一种是安装在机箱和机架上,提高整个空间的空气流速.如果将温度等效为电压,将功率等效为电流,则图1所示的热模型类似于欧姆定律,V=I*R (欧姆定律) 散热的计算有一个最基本的公式:
温差 =功耗×热阻
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