電源適配器可靠性熱設計

      除了電應力之外,溫度是影響設備可靠性重要的因素?電源設備內部的溫升將導致元器件的失效,當溫度超過一定值時,失效率將呈指數規律增加,溫度超過極限值時將導致元器件失效?國外統計資料表明,電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%,溫升為50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6?需要在技術上采取措施限制機箱及元器件的溫升,這就是熱設計?熱設計的原則,一是減少發熱量,即選用更優的控制方式和技術,如移相控制技術?同步整流技術等,選用低功耗的器件,減少發熱器件的數目,加大加粗印制線的寬度,提高電源適配器的效率?二是加強散熱,即利用傳導?輻射?對流技術將熱量轉移,這包括采用散熱器?風冷(自然對流和強迫風冷)?液冷(水?油)?熱電致冷?熱管等方法?強迫風冷的散熱量比自然冷卻大10倍以上,但是要增加風機?風機電源?聯鎖裝置等,這不僅使設備的成本和復雜性增加,而且使系統的可靠性下降,另外還增加了噪聲和振動,因而在一般情況下應盡量采用自然冷卻,而不采用風冷?液冷之類的冷卻方式?在元器件布局時,應將發熱器件安放在下風位置或在印制板的上部,散熱器采用氧化發黑工藝處理,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熱率?變壓器和電感線圈應選用較粗的導線來抑制溫升?

電源適配器熱設計

      由于電源適配器模塊的轉換效率不可能是100%,因此自身有一定的功耗,電源模塊本身發熱的高低主要取決于電源模塊的轉換效率?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可以使用這樣的公式:溫升=熱阻系數×模塊功耗?熱阻系數對于涂黑紫銅的外殼P25xx(用于SMP1250系列產品的外殼)來說約為3.76℃/W?這里的溫升和系數是在模塊直立,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?同時考慮到空氣的對流,如果使用帶有齒的散熱器應考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對流?例如:當使用的模塊輸出功率為100W?效率為82%時,滿載時模塊的功耗為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℃?

       所有的功率轉換產品在運轉時,由于內部功率消耗都將產生一些熱量?在每一應用中都有必要限制這種“自身發熱”,使模塊外殼溫度不超過指定的較大值?下面介紹DC/DC轉換器外殼升溫的大概過程?

  (1)可用的功率密度

       絕大多數DC/DC轉換器生產商都以產品的功率密度作為水準,衡量產品的有效性?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?如果用戶不能在規定的較大的環境溫度范圍內使用DC/DC轉換器,就有可能達不到參數中的較大輸出功率?DC/DC轉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用需要的較大平均功率,在多輸出DC/DC轉換器中就是各個獨立輸出的輸出功率的總和

      ②轉換效率?轉換效率7是指輸出功率與輸入功率之比(7=Pa/Pn)?內部功率消耗可以從轉換效率推導得出(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載輸出功率下的值?由于負載的減少或輸入電壓的變化,效率會發生一些改變

  (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轉換器都規定了外殼較高工作溫度?該溫度是指DC/DC轉換器內部的元件工作時所能承受的較高溫度,為保持轉換器的可靠性,應工作在較高溫度以下

  工作環境溫度指在DC/DC轉換器工作時周圍環境的較差的環境溫度

  2計算機殼溫度

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

  ①確定應用所需要的較大輸出功率

  ②確定應用的較高工作環境溫度,應該用DC/DC轉換器周圍較高環境溫度?

  ③確定內部功率消耗(Pn=P=(1-n)/n)

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

  ⑤在應用中通過測量外殼溫度檢驗熱特性?