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1、 电源系统可靠性热设计与热分析实验1实验报告电源系统可靠性热设计与热分析实验班级学号姓名实验时间2011/10/21电源系统可靠性热设计与热分析实验2目目 录录1.实验目的.12.实验仪器.13.实验原理.13.1.电源系统组成及工作原理 .13.1.1. 电源系统设计要求.13.1.2. 电源系统组成及工作原理.13.2.功率器件的降额设计 .13.3.电源系统的热设计 .13.4.功率器件散热器的优化设计 .13.4.1. 散热器的特性.13.4.2. 散热器优化设计.13.4.3. 散热器的优化实施.13.5.Qfin 软件简介.14.实验内容与测试数据.14.1.实验内容 .14.2.
2、器件参数 .14.3.实验步骤 .14.3.1. 电路热测量及计算.14.3.2. Qfin 软件优化散热器.15.实验结果分析与总结.16.实验心得体会.1电源系统可靠性热设计与热分析实验11. 实验目的实验目的在航空航天设备中，功率器件是大多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响到整机可靠性。功率器件发热量大，温度高，一般仅靠器件外壳散热难以满足器件的温度要求，需要合理安装散热器来辅助散热。传统的方法是根据功率器件的功耗及形状、尺寸大小来选择散热器，并没有考虑散热器的优化设计。本实验课在进行热设计理论研究的基础上，利用散热器优化软件提出了散热器优化设计方案，从工程实用角度出发，根
3、据航空航天设备体积小重量轻的要求，提出了功率器件散热器工程优化思想，即在满足散热要求的前提下综合考虑散热器的体积、重量和成本。以散热器质量为优化目标，达到功率器件与散热器的最优匹配。电源系统可靠性热设计与热分析实验以电源系统为依托，对其中最关键的功率器件进行热分析，并对功率器件选用的散热器进行优化设计从而达到功率器件与散热器的最优匹配，再对优化后的散热器进行测试验证和评估，这也为同学今后在走向工作岗位的时候掌握功率器件热设计和散热器优化提供工程实用的方法。2. 实验仪器实验仪器本次实验中用到的实验仪器如表 2.1 所示：表表 2.1 实验仪器表实验仪器表实验装置实验装置数量数量16 路测温系统
4、1 非接触测温仪1 万用表1微机及 Qfin 软件各 13.实验原理实验原理3.1.电源系统组成及工作原理电源系统组成及工作原理3.1.1. 电源系统设计要求电源系统设计要求输入电压： 220V电源输出： 220V 1A -220V 1A+5V 1.5A电源系统可靠性热设计与热分析实验2电源内阻：0.1纹波：1mV输出具有短路保护功能，电源系统工作环境温度50。3.1.2. 电源系统组成及工作原理电源系统组成及工作原理本次实验中用到的电源系统的原理图如图 3.1 所示：Vin+VoutADJU1LM317R1R3C5R8C1C3R01K1Vin-VoutADJC10R6U2LM337R2R4C
5、6R9C2C4R02K2C8C7C9 R5 T1Vin+5VGNDU3LM7805C13C11 C12R03K3C14R7 R10T2TAC220V图 3.1 电源系统电路原理图电路主要由三大部分组成：即变压器，整流滤波电路，稳压电路。 变压器：按照设计要求变压器的输出端共五个抽头，三条输出是双 17V，另两条输出为 10V 输出。 整流滤波电路：整流电路是由二极管构成的桥式整流电路、电容构成滤波电路。 稳压电路：稳压电路采用稳压模块即：LM317、LM337 和 LM7805，辅助电路采用了大容量电解电容，有效地滤出了纹波。电源电路元器件参数如表 3.1 所示。电源系统可靠性热设计与热分析实
6、验3表表 3.1 2#电源系统元器件参数电源系统元器件参数名名 称称编编 号号参参 数数备备 注注变压器T输入电压:220V 输出电压:双 17V,10V T13A整流器T23A U1(LM317) U2(LM337)结温: 0120电压调整器 U3(LM7805)结温: 0125 R011k R021k R13.3k R23.3k可变电阻器R3100 R4240 R520,20W R620,20W R710,15W R820,20W R920,20W电阻器R1010,15W大功率电阻器C12200F C22200F C510F C610F C9220F C10220F C113300F C1
7、3220F电解电容器C30.1F C40.1F C50.1F C80.1F C120.1F电容器C140.1F K10.4VA K20.4VA开关 K30.4VA3.2. 功率器件的降额设计功率器件的降额设计降额设计是将元器件进行降额使用，降额使用的器件可延缓和减小其退化，从而提高了器件的可靠性，从而也提高了系统的可靠性。降额设计就是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统工作的可靠性。电源系统可靠性热设计与热分析实验4电子元器件的故障率对电应力和温度应力比较敏感，因此降额设计在军用电子产品可靠性设计中最常用的方法。各类电子元器件，都有其最佳的降额范围。此
8、时，工作应力的变化对其失效率有明显的影响，设计上也容易实现，并且在设备体积、重量和成本方面不会付出太大的代价。在电子元器件的最佳降额范围内，一般可分成三个降额等级：级降额：级降额是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失的情况；级降额：工作应力减小对元器件可靠性增长有明显效益，适用于设备故障会使工作任务降级，或需支付不合理的维修费用。级降额：级降额是最小的降额，这种降额的可靠性增长效果和所花费的代价相比是最高的。适用于设备故障对工作任务的完成只有小的影响，或可迅速、经济地加以修复。在本电源系统设计中，通过改变集成稳压器的输出电流，从而达到降额使用。集成稳压调整器的
9、降额准则如表 3.2 所示。表表 3.2 集成稳压调整器的降额准则集成稳压调整器的降额准则降额等级降 额 参 数级降额级降额级降额 电源电压（最大绝对值）0.700.800.80 输入电压（最大绝对值）0.700.800.80 输入输出电压差0.700.800.80 输出电流（最大绝对值）0.700.750.80集成稳压调整器最高结温（）80951053.3. 电源系统的热设计电源系统的热设计电子设备热设计的基本任务是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量；减少热阻；选择合理的冷却方式。热设计是利用热的传递特性，通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超
