電源適配器可靠性熱設(shè)計(jì)

      除了電應(yīng)力之外,溫度是影響設(shè)備可靠性重要的因素?電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效,當(dāng)溫度超過一定值時(shí),失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加,溫度超過極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效?國外統(tǒng)計(jì)資料表明,電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%,溫升為50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6?需要在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升,這就是熱設(shè)計(jì)?熱設(shè)計(jì)的原則,一是減少發(fā)熱量,即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù),如移相控制技術(shù)?同步整流技術(shù)等,選用低功耗的器件,減少發(fā)熱器件的數(shù)目,加大加粗印制線的寬度,提高電源適配器的效率?二是加強(qiáng)散熱,即利用傳導(dǎo)?輻射?對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移,這包括采用散熱器?風(fēng)冷(自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)?液冷(水?油)?熱電致冷?熱管等方法?強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大10倍以上,但是要增加風(fēng)機(jī)?風(fēng)機(jī)電源?聯(lián)鎖裝置等,這不僅使設(shè)備的成本和復(fù)雜性增加,而且使系統(tǒng)的可靠性下降,另外還增加了噪聲和振動,因而在一般情況下應(yīng)盡量采用自然冷卻,而不采用風(fēng)冷?液冷之類的冷卻方式?在元器件布局時(shí),應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或在印制板的上部,散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理,以提高輻射率,不允許用黑漆涂覆?噴涂三防漆后會影響散熱效果,需要適當(dāng)加大裕量?散熱器安裝器件的平面要求光滑平整,一般在接觸面涂上硅脂以提高導(dǎo)熱率?變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來抑制溫升?

電源適配器熱設(shè)計(jì)

      由于電源適配器模塊的轉(zhuǎn)換效率不可能是100%,因此自身有一定的功耗,電源模塊本身發(fā)熱的高低主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率?在一定外殼散熱條件下,電源模塊存在一定的溫升(即殼溫與環(huán)境溫度的差異)?電源模塊外殼散熱表面積的大小直接影響溫升?對于溫升的粗略估計(jì)可以使用這樣的公式:溫升=熱阻系數(shù)×模塊功耗?熱阻系數(shù)對于涂黑紫銅的外殼P25xx(用于SMP1250系列產(chǎn)品的外殼)來說約為3.76℃/W?這里的溫升和系數(shù)是在模塊直立,并使下方懸空1cm,自然空氣流動的情況下測試的?對于溫度較高的地方須將模塊降額使用以減小模塊的功耗,從而減小溫升,保證外殼不超過極限值?對于功率較大的模塊,須加相應(yīng)的散熱器以使模塊的溫升得到下降?不同的散熱器在自然的條件下有不同的對環(huán)境的熱阻,主要影響散熱器熱阻的因素是散熱器的表面積?同時(shí)考慮到空氣的對流,如果使用帶有齒的散熱器應(yīng)考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對流?例如:當(dāng)使用的模塊輸出功率為100W?效率為82%時(shí),滿載時(shí)模塊的功耗為100/0.82-100=22W,選用附件中的WwS75(75W)散熱器,其熱阻為1.9℃/W,不考慮原外殼的橫向散熱,自然散熱的溫升為1.9×22=42℃?

       所有的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于內(nèi)部功率消耗都將產(chǎn)生一些熱量?在每一應(yīng)用中都有必要限制這種“自身發(fā)熱”,使模塊外殼溫度不超過指定的較大值?下面介紹DC/DC轉(zhuǎn)換器外殼升溫的大概過程?

  (1)可用的功率密度

       絕大多數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商都以產(chǎn)品的功率密度作為水準(zhǔn),衡量產(chǎn)品的有效性?功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)來表示?了解功率密度定義的條件是非常重要的?如果用戶不能在規(guī)定的較大的環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用DC/DC轉(zhuǎn)換器,就有可能達(dá)不到參數(shù)中的較大輸出功率?DC/DC轉(zhuǎn)換器可用的平均輸出功率就是可用的功率密度?在下面的應(yīng)用中,可用的功率密度取決于下列因素

      ①要求的輸出功率?要求的輸出功率是應(yīng)用需要的較大平均功率,在多輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器中就是各個(gè)獨(dú)立輸出的輸出功率的總和

      ②轉(zhuǎn)換效率?轉(zhuǎn)換效率7是指輸出功率與輸入功率之比(7=Pa/Pn)?內(nèi)部功率消耗可以從轉(zhuǎn)換效率推導(dǎo)得出(P==Po=(1-n)/y)?較具代表性的效率值是在額定輸人電壓和滿負(fù)載輸出功率下的值?由于負(fù)載的減少或輸入電壓的變化,效率會發(fā)生一些改變

  (2)電源適配器熱阻抗

       熱阻抗的定義是功率消耗產(chǎn)生的溫升?熱阻抗通常用℃/W表示

  (3)電源適配器外殼較高工作溫度

  所有DC/DC轉(zhuǎn)換器都規(guī)定了外殼較高工作溫度?該溫度是指DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的元件工作時(shí)所能承受的較高溫度,為保持轉(zhuǎn)換器的可靠性,應(yīng)工作在較高溫度以下

  工作環(huán)境溫度指在DC/DC轉(zhuǎn)換器工作時(shí)周圍環(huán)境的較差的環(huán)境溫度

  2計(jì)算機(jī)殼溫度

  在應(yīng)用場合中有許多因素都有可能影響外殼工作溫度?在應(yīng)用中,溫度的冷卻和較高外殼工作溫度都需要經(jīng)常認(rèn)真地核對?檢查?估算外殼工作溫度過程如下

  ①確定應(yīng)用所需要的較大輸出功率

  ②確定應(yīng)用的較高工作環(huán)境溫度,應(yīng)該用DC/DC轉(zhuǎn)換器周圍較高環(huán)境溫度?

  ③確定內(nèi)部功率消耗(Pn=P=(1-n)/n)

  ④計(jì)算所估計(jì)的外殼工作溫度(Tn= Lambent+Puat×R,R=R+R?其中T為外殼溫度, Ambient為環(huán)境溫度, Internal為內(nèi)部功率消耗,R?為外殼到環(huán)境的熱阻抗,R為外殼到散熱片的熱阻抗,R?為散熱片到環(huán)境的熱阻抗)?

  ⑤在應(yīng)用中通過測量外殼溫度檢驗(yàn)熱特性?