• 以博大电源为例详解电源模块散热
    深圳市中电华星电子技术有限公司

             电源模块在运行过程中,由于模块内部将产生功率消耗,而且以热量的形式产生,若不将这些热量发散出去,将会聚积在模块内部,使得温度过高,进而可能促使功率器件超过额定的温度极限;轻则缩短模块电源使用寿命,重则损坏模块。所以散热设计对于电源模块来说至关重要。一般额定操作温度的定义,均是以外壳温度或指定之热点为温度 量测基准,如下图的红点所示。                                                             

    1、外壳温度估算
            在一般应用中,通常采用实际测量来得出实际外壳温度。但在部份情况下,实际测量无法实现;此时则可通过估算的方式得出大概的外壳温度。
           下面就通过博大科技电源模块的实际范例,介绍电源模块外壳温度估算的步骤,以避免模块工作超过最高外壳工作温度。
        估算步骤如下:
      STEP 1 --- 确定电源模块最大的操作环境温度(Ta)
      STEP 2 --- 估算最大输出功率(Po)
    估算实际应用时,所需的最大输出功率Po。如果是多路输出,则指多路输出的总输出功率。计算方程式为
     
      STEP 3 --- 确定转换效率(η)
    一般模块只提供额定输入电压在满负载输出功率及25℃环境温度下的效率值,实际上在不同的负载情况或输入电压时,以及不同的操作环境温度,效率会发生一些改变,博大科技电源模块在规格书内都已提供上述的效率曲线图,可依照实际的条件,查询转换效率。

       外壳温度量测点        指定热点量测 
    使用在具有散热外壳型式的模块,
    通常定义为外壳的中心点
    使用在Open Frame型式模块,
    通常定义为温度最高的零件表面
            以将基准温度降低至额定范围内为散热设计之目标。一般而言,电源模块最大可操作的外壳温度极限,依不同设计,多设定在100℃~110℃左右。

      STEP 4 --- 确定外壳对环境的热阻(θca)
    热阻定义为单位消耗功率所产生的上升温度,通常以℃/W表示。
      STEP 5 --- 估算电源模块本身所产生之消耗功率(Pd)。
               方程式如下:
     
      STEP 6 --- 估算电源模块外壳的工作温度(Tc)。
               方程式如下:
     
      STEP 7 --- 确认上述外壳工作温度应在最高工作温度以下。
      实例详解
            以博大科技40W电源模块 FEC40-48S05(输出电压:5V,满载电流:8.0A)为例为大家介绍一下如何估算电源模块外壳温度。
    假设实际操作条件如下:
    -- 最大操作环境温度(Ta)为50℃
    -- 输入电压(Vin)为48V时
    -- 输出电压(Vout)为5V时
    -- 实际负载电流(Iout)为6.4A。(6.4A / 8.0A = 80%满负载)
    -- 实际输出功率(Po)为5Vout * 6.4A = 32W
            依规格书所提供的输出负载及输入电压对效率的曲线图可查出,在Vin=48V,Iout=80%满负载时的转换效率η=92%
      

                          由规格书中可以查询到,在不加散热片及无强制气流的情况下
                          θca = 9.2 (℃/W)

    计算电源模块之消耗功率:

    计算电源模块外壳温度:

                          结论:
                                 在此操作条件下,外壳温度(Tc)约为75.6℃,低于额定温度100℃,故符合工作温度和设计使用要求。

    2、散热设计
           如果上述的估算已经超过外壳最大工作温度,则必须增加散热的设计。
           由估算外殻温度的方程式   可知,Ta及Pd是系统操作时的条件,可视为定值,故要降低外壳温度,需要由降低外壳到环境的热阻(θca)着手,θca也是散热设计中最重要的因子。
           在博大科技电源产品的规格书内,都有提供在多种散热条件下,模块到环境的热阻值。这个热阻值是在恒温、恒湿及可控风速的标准实验设备里直接测得,非常具有参考价值。具体标准测量方法如下图:


     3、散热方法
           在系统没有任何散热设计的情况下,应该确保顶部和底部保留足够的气流信道,使模块在运作产生热能时,与环境空气因温度差而产生自然对流冷却。
           在气流信道不完善的情况下,导致模块壳温过高时,可以通过以下的方式,做为散热设计。

    □ 增加散热片
              散热片的主要作用,是增加热源对环境空气之间的接触面积,在有适当空气对流的情况下(包含自   然 对流),可明显的降低热阻θca。
              散热片与电源模块外壳在直接接合时,因为外壳与散热片都是坚硬的材质,并无法确保完全密合平整,多少会产生一些缝隙,这将会增加热阻;所以电源模块在组配散热片时需使用导热的表面材料,如导热硅脂(Thermal compound)、导热硅胶片(Thermal Pad)等,来确保外壳与散热片的紧密结合及减少缝隙;组装结构示意图如下所示。

           组配后的热阻θca为θcp、θph、θha的总和;因为空气在不流动的情况下热阻极大,故与空气接触的θha为最主要的热阻。
           使用散热片可以大幅度降低θha的方式,但若θcp、θph不佳,也会影响到总热阻θca,这也是为什么需要使用具有良好导热性及填缝效果之Thermal Pad的原因。
           最好的散热片摆放方式,是散热片的鳍片上下垂直于空气中,形成良好的”烟囱效应”,如此才能拥有最好的自然对流效果;在无强制气流辅助散热的情况下,尤其重要。
           博大科技原厂可以提供不同热阻、样式的散热片

     
     
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