工程師不可不知的開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵設計（二）

　?、诮佑|熱阻抗θc是由半導體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會(huì )對它產(chǎn)生影響。當接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時(shí)就會(huì )增大接觸熱阻抗θc。在半導體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導熱性，可以大大降低接觸熱阻抗θc。

　　當前有一種新型的相變材料，專(zhuān)門(mén)設計用采取代硅油作為傳熱介面，在65℃（相變溫度）時(shí)從固體變?yōu)榱黧w，從而確保界面的完全潤濕，該材料的觸變特性避免其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當，但沒(méi)有硅油帶來(lái)的污垢，環(huán)境污染和難于操作等缺點(diǎn)。用于不需要電氣絕緣的場(chǎng)合。典型應用包括cpu散熱片，功率轉換模塊或者其它任何簧片固定的硅油應用場(chǎng)合，它可涂布在鋁質(zhì)基材的兩面，可單面附膠，雙面附膠或不附膠。

　?、劢^緣墊熱阻抗θs

　　絕緣墊是用于半導體器件和散熱器之間的絕緣.絕緣墊的熱阻抗θs取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度、面積。下表中列出幾種常用半導體封裝形式的θs+θc

　?、苌崞鳠嶙杩?theta;f

　　散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周?chē)臏囟炔钣嘘P(guān)。因此一般都會(huì )設法增強散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設計合理的散熱風(fēng)道、增強散熱器表面的風(fēng)速。散熱器的散熱面積設計值如下圖所示：

　　但如果過(guò)于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過(guò)于密集則會(huì )影響到空氣的對流，熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì )降低散熱效果。自然風(fēng)冷時(shí)散熱器的叉指間距應適當增大，選擇強制風(fēng)冷則可適當減小叉指間距。如上圖所示：

　?、萆崞鞅砻娣e計算

　　s=0.86w/(δt*α)　(m2)

　　δt: 散熱器溫度與周?chē)h(huán)境溫度（ta）的差（℃）

　　α： 熱傳導系數，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速決定。α由下式?jīng)Q定。

　　α=nu*λ/l ()

　　λ:熱電導率（kcal/m2h）空氣物理性質(zhì)

　　l：散熱器高度（m）

　　nu：空氣流速系數。由下式?jīng)Q定。

　　nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

　　v：動(dòng)粘性系數（m2/sec）,空氣物理性質(zhì)。

　　v’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)

　　pr: 系數,見(jiàn)下表

　　2.2 散熱設計舉例

　　[例] 2scs5197在電路中消耗的功率為pdc=15w,工作環(huán)境溫度ta=60℃,求在正常工作時(shí)散熱器的面積應是多少?
　
　　解: 查2scs5197的產(chǎn)品目錄得知:pcmax=80w(tc=25℃),tjmax=150℃且該功率管使用了絕緣墊和硅油. θs+θc=0.8℃/w

　　從(2)式可得

　　θi=θj-c=(tjmax-tc)/pcmax-=(150-25)/80P1.6℃/w

　　從(1)式可得

　　θj-a=(tjmax-ta)/pdc=(150-60)/15=6℃/w

　　從(4)式可得

　　θf=θj-a－(θi＋θc＋θs) P6－(1.6+0.8)=3.6℃/w

　　根據上述計算散熱器的熱阻抗須選用3.6℃/w以下的散熱器.從散熱器散熱面積設計圖中可以查到:使用2mm厚的鋁材至少需要200cm2,因此需選用140*140*2mm以上的鋁散熱器.

　　注：在實(shí)際運用中，tjmax必須降額使用，以80%額定節溫來(lái)代替tjmax確保功率管的可靠工作。

　　3、自然風(fēng)冷與強制風(fēng)冷

　　在開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際設計過(guò)程中，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強制風(fēng)冷二種形式。自然風(fēng)冷的散熱片安裝時(shí)應使散熱片的葉片豎直向上放置，若有可能則可在pcb上散熱片安裝位置的周?chē)@幾個(gè)通氣孔便于空氣的對流。

　　強制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強制空氣對流，所以在風(fēng)道的設計上同樣應使散熱片的葉片軸向與風(fēng)扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風(fēng)效果越是散熱量大的器件越應靠近排氣風(fēng)扇，在有排氣風(fēng)扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：

　　4、金屬pcb

　　隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運用到實(shí)際產(chǎn)品中，這時(shí)散熱片難于安裝到功率器件上。當前克服該問(wèn)題主要采取金屬pcb作為功率器件的載體，主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬pcb的散熱性遠好于傳統的pcb且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯pcb，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導熱的環(huán)氧玻纖布粘結片或高導熱的環(huán)氧樹(shù)脂，它是可以雙面貼裝smd元件，大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬pcb上，利用金屬pcb中的金屬板來(lái)散熱。

　　5、發(fā)熱元件的布局

　　開(kāi)關(guān)電源中主要發(fā)熱元件有大功率半導體及其散熱器，功率變換變壓器，大功率電阻。發(fā)熱元件的布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小，由小到大排列，發(fā)熱量越小的器件越要排在開(kāi)關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇。

　　為了提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將多個(gè)功率器件固定在同一個(gè)大散熱器上，這時(shí)應盡量使散熱片靠近pcb的邊緣放置。但與開(kāi)關(guān)電源的外殼或其它部件至少應留有1cm以上的距離。若在一塊電路板中有幾塊大的散熱器則它們之間應平行且與風(fēng)道的風(fēng)向平行。在垂直方向上則發(fā)熱小的器件排在最低層而發(fā)熱大的器件排在較高處。

　　發(fā)熱器件在pcb的布局上同時(shí)應盡可能遠離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。

　　6、結語(yǔ)

　　開(kāi)關(guān)電源的熱設計應充分考慮產(chǎn)品所處的工 作環(huán)境及實(shí)際的工作狀態(tài)并將上述幾種方法綜合運用才能設計出既經(jīng)濟又能充分保證半導體散熱的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。