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大功率开关电源散热设计原理

2015-7-16 22:04:17      点击:

 1、散热的原因

  大功率开关电源的芯片的高度集成,功能要求越来越多,体积要求越来越小。今天的元器件得以快速地向小型化.高功能.与高效率发展.高性能的元器件在高速度运行下会产生大量的热,这些热量必须立即去除以保证元器件能在正常工作温度下以最高效率运行.因此热传导相关技术随着电子工业的发展不断地受到挑战.

  例如:电脑出现当机现象、LED散热不良会引起光衰等等、

  2、散热材料种类:

  金、银、铁、铜、铝、铝合金、硅胶片、等

  3、散热原理

  A 散热器的散热形式主要有辐射和对流两种形式。

  辐射换热:热能用辐射形式传播,不需要借助任何介质,可以在真空状态下传播,比如太阳的热能经过宇宙传到地球上。

  对流换热:通过空气或其他介质传播热能,比如对流散热器将空气加热。空气将房间内一切物品加热,对六器主要依靠空气运动传播热能。

  传统意义上所称的辐射散热器,是指辐射散热器在总散热量中占相对份额的散热器,目前通常最典型的辐射散热器如铸铁、钢制柱式散热器、铜铝复合散热器等等,其中依靠辐射作用所传播的热能只占30%,另外70%热能是以对流式传播的。而对流散热器是基本无辐射换热(或极小)的散热器,如佛瑞德铜管对流散热器,铜管对流散热器利用热空气轻,向上流动的原理,空气循环达到全房间的升温,比辐射式的散热器更加舒适、升温更快。

  B、 散热的方式有 辐射散热 传导散热 对流散热 蒸发散热

  机体各组织器官产生的热量,随着血液循环均匀地分布于全身各部。当血液流经皮肤血管时,全部热量的90%由皮肤散出,因此皮肤是人体散热的主要部位。还有一小部分热量,通过肺、肾和消化道等途径,随着呼吸、尿和粪便散出体外。

  (一)散热的方式——主要是物理方式

  1.辐射 辐射是指机体以发射红外线方式来散热。当皮肤温高于环境温度时,机体的热量以辐射方式散失。辐射散热量与皮肤温、环境温度和机体有效辐射面积等因素有关。在一般情况下,辐射散热量占总散热量的40%。当然,如果环境温度高于皮肤温,机体就会吸收辐射热。炼钢工人在炉前作业,炎热的夏季农民在日照下田间劳动也会遇到这种情况。

  2.传导与对流 传导就是机体通过传递分子动能的方式散发热量。当人体与比皮肤温低的物体(如衣服、床、椅等)直接接触时,热量自身体传给这些物体。临床上,用冰帽、冰袋冷敷等方法给高热病人降温,就是利用这个原理。

  C、 散热器与环境的热交换

  当热量传到散热器的顶部后,就需要尽快地将传来的热量散发到周边环境中去,对风冷散热器而言就是要与周围的空气进行热交换。这时,热量是在两种不同介质间传递,所依循的公式为Q=α X A X ΔT,其中ΔT为两种介质间的温差,即散热器与周围环境空气的温度差;而α为流体的导热系数,在散热片材质和空气成分确定后,它就是一个固定值;其中最重要的A是散热片和空气的接触面积,在其他条件不变的前提下,如散热器的体积一般都会有所限制,机箱内的空间有限,过大会加大安装的难度,而通过改变散热器的形状,增大其与空气的接触面积,增加热交换面积,是提高散热效率的有效手段。、要实现这一点,一般通过用鳍片式设计辅以表面粗糙化或螺纹等办法来增大表面积。

  当热量传递给空气后,和散热片接触的空气温度会急速上升,这时候,热空气应该尽可能和周围的冷空气通过对流等热交换方式来将热量带走,对风冷散热器来说,最主要的手段便是提高空气流动的速度,使用风扇来实现强制对流。这点主要和风扇的设计和风速有关,散热器风扇的效能(例如流量、风压)主要取决于风扇扇叶直径、轴向长度、风扇转速和扇叶形状。风扇的流量大都采用 CFM为单位(英制,立方英尺/分钟),一个CFM大约为0.028mm3/分钟的流量。

  纯铝散热器

  纯铝散热器是早期最为常见的散热器,其制造工艺简单,成本低,到目前为止,纯铝散热器仍然占据着相当一部分市场。为增加其鳍片的散热面积,纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术,而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散热片的鳍片的高度,Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin,Pin-Fin 比越大意味着散热器的有效散热面积越大,代表铝挤压技术越先进。

  纯铜散热器

  铜的热传导系数是铝的1.69倍,所以在其他条件相同的前提下,纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。不过铜的质地是个问题,很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100%的铜。在铜的列表中,含铜量超过99%的被称为无酸素铜,下一个档次的铜为含铜量为85%以下的丹铜。目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85%都不到,虽然成本很低,但其热传导能力大大降低,影响了散热性。此外,铜也有明显的缺点,成本高,加工难,散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。红铜的硬度不如铝合金AL6063,某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝;铜的熔点比铝高很多,不利于挤压成形( ExtrusiON )等等问题。

  虽然,目前最常用的散热片材料是铜和铝合金,铝合金容易加工,成本低,是应用最多的材料,而铜较高的热传导系数,使得其瞬间吸热能力比铝合金好,但散热的速度就较铝合金要慢。因此,无论纯铜、纯铝、还是铝合金散热器,都有一个致命的缺陷:由于只使用一种材质,虽然基本的散热能力能够满足轻度散热的需要,但由于无法很好地均衡热传导能力和热容量能力两个方面的要求,在散热要求较高的场合便未免有些力不从心了。

  铜铝结合技术

  在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后,目前市场部分高端散热器往往采用铜铝结合制造工艺,这些散热片通常都采用铜金属底座,而散热鳍片则采用铝合金,当然,除了铜底,也有散热片使用铜柱等方法,也是相同的原理。凭借较高的导热系数,铜制底面可以快速吸收CPU释放的热量;铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状,并提供较大的储热空间并快速释放,这在各方面找到了的一个均衡点。

  热量从CPU核心散发到散热片表面,是一个热传导过程。对于散热片的底座而言,由于直接与高热量的小面积热源接触,这就要求底座能够迅速将热量传导开来。散热片选用较高热传导系数的材料对提高热传导效率很有帮助。通过热传导系统对照表可以看出,如铝的热传导系数237W/mK,铜的热传导系数则为401W/mK,而比较同样体积的散热器,铜的重量是铝的3倍,而铝的比热仅为铜的2.3倍,所以相同体积下,铜质散热器可以比铝质散热器容纳更多的热量,升温更慢。同样厚度的散热器底座,铜不但可以快速引走热源如CPU Die的温度,自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜更适合做成散热器的底面。

  不过,这两种金属的结合比较困难,铜和铝之间的亲和力较差,如果接合处理不好,便会产生较大的介面热阻(即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻)。在实际设计和制造中,厂商总是尽可能降低介面热阻,扬长避短,往往这也体现了厂商的设计能力与制造工艺。

  4、导热媒介-导热硅胶。

  a、什么是热阻?

  所谓“热阻”(thermal resiSTance),是指反映阻止热量传递的能力的综合参量。热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿——℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。

  b、空气在自然界中的热阻最大,其数值接近0.03W/mK;

  c、填充发热体和金属散热片之间的缝隙,减少空气,使发热体和散热片呈现直接对流散热。

  d、导热硅胶片也可以间接散热,即裸露在外面、所以有散热片的叫法。

  5、散热模组结构

  最后发热体+导热硅胶+散热片,构成了一个散热设计的基本三明治结构,在整过过程中,我们都在和空气打交道,实际上空气层成了我们散热学上最大的挑战,不管我们是增大散热器的面积,还是添加导热介质,都是为了除去空气层。