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1、开关电源的热分析与计算开关电源的热分析与计算 深圳电源技术研讨会深圳电源技术研讨会 邹超洋邹超洋 20112011年年1010月月 内容提要内容提要 开关电源热分析与计算的意义开关电源热分析与计算的意义 热设计的目标热设计的目标 热路与温度的计算热路与温度的计算 散热方式分析与选择散热方式分析与选择 散热设计的一般原则与步骤散热设计的一般原则与步骤 热设计仿真介绍热设计仿真介绍 总结总结 开关电源热分析与计算的意义开关电源热分析与计算的意义 高效率，高集成度，高功率密度是电源发展的重要方向，然而高效率，高集成度，高功率密度是电源发展的重要方向，然而 对于电源设计人员而言，功率器件跟整个电源系统
2、的热设计，对于电源设计人员而言，功率器件跟整个电源系统的热设计， 依然是非常有挑战性的工作。依然是非常有挑战性的工作。 如：一台输出700W的全砖模块电源，即使转换效率高达95%，然而依然有近37W的发 热量需要处理，如果不仔细分析计算，将会影响整个系统的MTBF与可靠性，严 重时甚至可能烧毁功率器件。 高温对电源的影响：高温对电源的影响： 绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落； 器 件之间的机械应力增大； 对开关电源的热分析与计算的积极意义对开关电源的热分析与计算的积极意义： 能精确计算元器件的温升，为电源寿命计算提供依据 通过对系统的整体温升分析与计算，为器件的
3、选型与降额设计提供依据 通过对元器件热分析与计算，为散热方式与散热器件的选择提供依据 能有效控制整体温升，降低元器件的早期失效率，大大提升可靠性 确保任何的元器件不超过它的最大工作节温确保任何的元器件不超过它的最大工作节温 也就是说如何的控制元器件的发热量，如果元器件的发热量得不到有效控制，那 么元器件将在几分钟甚至更短的时间里失效。 一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变 压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；晶体三极管的电流放大倍数加大；MOSFET的 漏源导通电阻增大。 方法：方法： a、优选控制方式：软开关技术(QR,LLC,有源钳位),移相控制技术,同步整流
4、 b、选用低功耗的器件：CoolMOS,SiC diode,高磁导率的磁性材料等 c、根据应用的场合，做好元器件的降额设计 结温的推荐值结温的推荐值： 根据标准，任何情况下器件的结温不要超出以下值： 民用等级：民用等级：TjmaxTjmax150 工业等级：工业等级：TjmaxTjmax135 军用等级：军用等级：TjmaxTjmax125 航天等级：航天等级：TjmaxTjmax105 热设计的目标热设计的目标 热设计的目标热设计的目标 在给定有限的空间和重量条件下，尽量可能保持元器件良好的散在给定有限的空间和重量条件下，尽量可能保持元器件良好的散 热，热，使其在所处的工作环境条件下，不超过
5、标准及规范所规定的使其在所处的工作环境条件下，不超过标准及规范所规定的 最高温度。最高温度。 这个目标就是提升系统的长期寿命跟可靠性。 有统计资料表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10%元器件温升为50 时的寿命只有温升为25时的1/6。而温升每超过10，电解电容的寿命就要下 降一半。 方法：方法： a、优化PCB上元器件的布局，Layout b、根据系统要求，选用合适的散热方式：传导，辐射，对流 c、选用更好的散热器件加强散热：涂硅脂，导热硅胶垫，散热片氧化发黑 温升的推荐值：温升的推荐值： 任何情况下，器件与整个电源内部环境以及外壳的温升不要超出60 即 T T 6060 热路实际上
6、是欧姆定律的一个变形，可以与电路等效，在进行热热路实际上是欧姆定律的一个变形，可以与电路等效，在进行热 路的分析与计算式，可以参照电路，建立热路模型进行计算路的分析与计算式，可以参照电路，建立热路模型进行计算 热路与温度的计算热路与温度的计算 几个概念：几个概念： 热阻：热阻： 电子器件耗散的热流在传输过程中(通过一定的介质)所遇到的阻力，是反映阻止 热量传递的能力的综合参量。 用R R表示，单位是/W；其特性跟电阻类似，与介质材料的热导率，体积，密度， 结构，表面积大小，颜色，几何尺寸与冷却条件等因素有关 在热平衡之前，热阻是时间的函数(热抗)，但热稳定之后，热阻跟时间无关 R R= T/
7、PT/ PD D 其中其中 R R是介质之间的热阻 T是介质之间的温度差 PD是耗散的功率 热路与温度的计算热路与温度的计算 热路与温度的计算热路与温度的计算 普通穿孔插件型封装器件的典型热阻普通穿孔插件型封装器件的典型热阻 热路与温度的计算热路与温度的计算 表面贴片型封装器件的典型热阻表面贴片型封装器件的典型热阻 热流：热流：也称为热流密度或热流量，指两种介质由于温度的差异而形成的热量传递。 用Q表示，单位是J/s(W),其特性类似于电流，总是从温度高的介质传递到温 度低的介质，其大小正比于热阻 即 Q ( ( T/T/R R) ) 注：注：固态散热器的热流是线性，而液态与气态散热的热流是非
8、线性的 热容量：热容量：是指一定质量的某种物质升高一定温度所需的热量,用C表示，单位为J/K， 跟物质本身的比热容有关 比热容 C CT T= =E/E/（m m T T） E为吸收的热量；m是物体的质量；T是吸热(放热)后温度所上升(下降)的值 热容量 C C = C CT T*m=*m= E/E/T T 热路与温度的计算热路与温度的计算 因为R ca的值很大，对整个热电路的分析影响很小,故可以忽略 R R jaja R R jcjc + + R R cscs + + R R sasa 热路与温度的计算热路与温度的计算 功率管与等效热电路模型功率管与等效热电路模型 热路与温度的计算热路与温度
9、的计算 因为Rca的值很大，对整个热电路的分析影响很小,故可以忽略 R R jaja R R jcjc + R+ R cscs + R+ R sasa 贴片贴片ICIC与等效热电路模型与等效热电路模型 热路与温度的计算热路与温度的计算 因为因为R RL La的值很大，对整个热电路的分析影响很小的值很大，对整个热电路的分析影响很小, ,故可以忽略故可以忽略 R R jaja R R jLjL + R+ R LsLs + R+ R sasa 径向引线二极管与等效热电路模型径向引线二极管与等效热电路模型 结温的计算：结温的计算： 从以上几个热电路可以看出，结温等于热路中温升之和再加上环境温度。 即
10、Tjmax=PD*(R R jcjc+ +R R cscs+ +R R sasa)+Ta a 例：例：某大功率工业电源的PFC电路，经计算IGBT的损耗为15W,升压二极管损耗为17W， 两管同时装在一个散热器上；IGBT芯片到外壳的热阻为0.85/W，升压二极管到 外壳的热阻为1.9/W，绝缘矽胶片与散热膏的总热阻为0.7/W，散热器的热阻 为1.3/W；环境温度为60，求IGBT与二极管芯片的结温。 解：根据题意可以画出等效热电路（略） 对于IGBT,有 Tjmax1=(15+17)*1.3+(0.85+0.7)*15+60 =41.6+23.25+60 =124.85 对于Diode,有
11、 Tjmax2=(15+17)*1.3+(1.9+0.7)*17+60 =41.6+44.2+60 =145.8 热路与温度的计算热路与温度的计算 散热片的计算：散热片的计算： a:散热片的尺寸：可以求出散热片的热阻，再根据厂商提供的散热片参数选择合 适的散热片。 即 R Rsasa=(Tjmax-Ta a) )/PD-(R R jcjc+ +R R cscs) 例：例：某军工电源，现经计算主功率MOSFET IRFP460的总损耗为7.6W, 装在散热器上 自然冷却；经查手册， R R jcjc为0.45/W，R R cscs为0.24/W，绝缘矽胶片与散热 膏的总热阻为0.7/W，当环境温
12、度为60时，要求所有器件的结温不能超过 125，求散热片的尺寸。 解：根据题意可以画出等效热电路（略） 对于MOSFET,有 R Rsasa=(Tjmax -Ta a )/PD-(R R jcjc+ +R R cscs) =(125-60)/7.6-(0.45+0.24+0.7) =7.16 /W 然后参照散热片厂家的数据，结合电源结构要求寻找合适的散热器 热路与温度的计算热路与温度的计算 b、散热器温度与耗散功率的计算 根据热电路可以得出散热器温度的计算公式 T Thshs=PD*R Rsa+sa+T Ta a 同样可以得出耗散功率的计算公式 PD=(T Thshs+ +T Ta a)/ /
13、R Rsasa 热路与温度的计算热路与温度的计算 焊盘大小对散热的影响：焊盘大小对散热的影响： 如右图是PCB上铜箔厚度为2OZ(约70um 56.7g)焊盘面积与热阻的对应关系，由图可以看 出，当散热焊盘面积大于0.2in2 2时，热阻对应约 0.5/W,即使再继续加大焊盘面积，但热阻基本 不变，也就是说对散热不再有帮助，所以说散热 焊盘的面积也不越大越好。 开关电源中的发热量较大的元件开关电源中的发热量较大的元件 功率开关管：开通损耗，导通损耗，关断损耗 整流二极管：正向导通损耗，反向恢复损耗 变压器、电感：铁损，铜损 电容，功率电阻等无源元件：欧姆热损耗 散热的常用方式与器件散热的常用方
14、式与器件 常用的方式：热传导，热辐射，热对流，蒸发散热 散热器件： PCB铜箔，散热器（铜，铝，铁），风扇冷却，水冷，油冷，半导体制 冷，热管 散热方式分析与选择散热方式分析与选择 传导散热：传导散热： 具有温度差异的两个直接接触的物体或物体内部个部分之间发生的热传递。 本质是分子动能的相互传递。 散热方式分析与选择散热方式分析与选择 其中： P：传递的热流（功率）(W) A：与热传输方向垂直的单元端面积(cm2) L：热传输单元的长度(cm) (T1-T2)：热传输单元两边的温度差() K：材料的导热率，量纲为W/(cm2) 辐射散热：辐射散热： 借助于电磁波(红外线)的形式将热量传递出去，
15、不需要任何的介质，传播方向为 直线，可以在真空中传播。例如太阳的热量通过热辐射到达地球。 根据史蒂芬 玻尔兹曼定律 散热方式分析与选择散热方式分析与选择 P P：传递的热流（功率）(W) A A：辐射表面的面积(cm2) e e：表面发射率，与辐射物体的表面 粗燥度以及颜色有关。 T Ts:辐射表面温度() Ta：环境温度() 辐射换热的考虑原则辐射换热的考虑原则 如果物体表面的温度低于50，可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波 长相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好 的吸收体，发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。 对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。 如果物体表面的温度低于50， 可不考虑辐射换热的影响。 好的热辐射器，同样是好的热吸收器， 所以应该避免太阳光的直射。 辐射换热面积计算时，如表面 积不规则
