開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)討論總結(jié)

1、散熱設(shè)計(jì)的一些基本原則 從有利于散熱的角度出發(fā),印制版最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則: ·對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按縱長(zhǎng)方式排列,如圖3示;對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按橫長(zhǎng)方式排列. ·同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流最下游. ·在

2、水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響. ·對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬(wàn)不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局. ·設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件或印制電路板.空氣流動(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),所以在印制電路板上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域.整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問(wèn)題.電子設(shè)備散熱的重要性 在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天

3、.如何保證電子設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行,一直困擾著工程師們.造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多,但是高溫是其中最重要的因素(其它因素重要性依次是振動(dòng)Vibration、潮濕Humidity、灰塵Dust),溫度對(duì)電子設(shè)備的影響高達(dá)60%. 溫度和故障率的關(guān)系是成正比的,可以用下式來(lái)表示: F = Ae-E/KT 其中: F = 故障率, A=常數(shù) E = 功率 K =玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K) T = 結(jié)點(diǎn)溫度 如何對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì),首先我們可以從芯片廠家提供的芯片Datasheet為判斷的基礎(chǔ)依.如何理解Datasheet的相關(guān)參數(shù)呢?下面將對(duì)Datasheet中常用的熱參數(shù)逐一說(shuō)明.

4、一、 Datasheet中和散熱有關(guān)的幾個(gè)重要參數(shù) P-芯片功耗,單位W(瓦).功耗是熱量產(chǎn)生的直接原因.功耗大的芯片,發(fā)熱量也一定大. Tc-芯片殼體溫度,單位. Tj-結(jié)點(diǎn)溫度,單位.隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高,半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降.結(jié)點(diǎn)溫度過(guò)高將導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定,系統(tǒng)死機(jī),最終芯片燒毀. Ta-環(huán)境溫度,單位. Tstg-存儲(chǔ)溫度,單位.芯片的儲(chǔ)存溫度. Rja/ja-結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻,單位/W. Rjc/jc-結(jié)點(diǎn)到芯片殼的熱阻,單位/W jt-可以理解為結(jié)點(diǎn)到芯片上表面的熱阻.當(dāng)芯片熱量只有部分通過(guò)上殼散出的時(shí)候的熱阻參數(shù). LFM-風(fēng)速單位,英尺/分鐘.4.5英寸的4層PCB中間,環(huán)境

5、溫度測(cè)試探頭距離這塊PCB的板邊緣12英寸.可見(jiàn)我們產(chǎn)品幾乎不可能滿足這種測(cè)試條件.因此,Ta在這里對(duì)我們來(lái)說(shuō),沒(méi)什么意義.在這種情況下保守的做法是:保證芯片的殼體溫度TcTa-max,一般來(lái)說(shuō)芯片是可以正常工作的.>br>     直接提供Tc-max-這種情況相對(duì)較少,處理也相對(duì)簡(jiǎn)單.只需保證TcTc-max即可.>br>     提供Tj、Rjc/jc、P-近2年來(lái),隨著熱設(shè)計(jì)的重要性不斷提高,大部分的芯片資料都會(huì)提供上述參數(shù).基本公式如下:    

6、60;Tj=Tc+Rjc*P     只要保證TjTj-max即可保證芯片正常工作.     歸根結(jié)底,我們只要能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過(guò)芯片給定的最大值,芯片就可以正常工作.如何判斷芯片是否需要增加散熱措施 第一步:搜集芯片的散熱參數(shù).主要有:P、Rja、Rjc、Tj等 第二步:計(jì)算Tc-max:Tc-max=Tj- Rjc*P 第三步:計(jì)算要達(dá)到目標(biāo)需要的Rca:Rca=(Tc-max-Ta)/P 第四步:計(jì)算芯片本身的Rca:Rca=Rja-Rjc 如果Rca大于 Rca,說(shuō)明不需要增加額外的散熱措施. 如果

7、Rca小于Rca,說(shuō)明需要增加額外的散熱措施.比如增加散熱器、增加風(fēng)扇等等. 例:某芯片功耗1.7W;Rja53/W;Tj125;Rjc25/W,芯片工作的最大環(huán)境溫度是50.判斷該芯片是否需要加散熱器,散熱器熱阻是多少.Tc-max=Tj- Rjc*P =125-25/W*1.7W =82.5 Rca=(Tc-max-Ta)/P =(82.5-50)1.7 =19.12/W Rca=Rja-Rjc =53-25 =28/W Rca小于Rca,所以需要增加散熱器. 散熱器的熱阻假設(shè)為Rs,則有: Rs/Rca小于Rca Rs*28/(Rs+28)小于19.12 Rs小于60.29/W 所以選用

8、的散熱器熱阻必須小于60.29/W.上面僅是非常簡(jiǎn)單的例子,當(dāng)然時(shí)間的情況要比這個(gè)復(fù)雜的多,需要通過(guò)仿真軟件計(jì)算來(lái)分析和計(jì)算. 在普通的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,我們很少考慮到集成電路的散熱,因?yàn)榈退傩酒墓囊话愫苄?在正常的自然散熱條件下,芯片的溫升不會(huì)太大.隨著芯片速率的不斷提高,單個(gè)芯片的功耗也逐漸變大,例如:Intel的奔騰CPU的功耗可達(dá)到 25W.當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時(shí),就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣?lái)加快芯片表面熱的釋放,使芯片工作在正常溫度范圍之內(nèi). 通常條件下,熱量的傳遞包括三種方式:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射.傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較

9、低的一方的傳遞,對(duì)流是借助流體的流動(dòng)傳遞熱量,而輻射無(wú)需借助任何媒介,是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量. 在實(shí)際應(yīng)用中,散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時(shí)使用.散熱器通過(guò)和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器,散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體,它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加,同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能.風(fēng)扇的使用也分為兩種形式,一種是直接安裝在散熱器表面,另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上,提高整個(gè)空間的空氣流速.與電路計(jì)算中最基本的歐姆定律類似,散熱的計(jì)算有一個(gè)最基本的公式: 溫差 = 熱阻 × 功耗 在使用散熱器的情況下,散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的

10、"阻力"稱為熱阻,散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來(lái)代表,這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在,在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差,就像電流流過(guò)電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降一樣.同樣,散熱器與芯片表面之間也會(huì)存在一定的熱阻.熱阻的單位為/W.選擇散熱器時(shí),除了機(jī)械尺寸的考慮之外,最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻.熱阻越小,散熱器的散熱能力越強(qiáng).風(fēng)冷散熱原理 從熱力學(xué)的角度來(lái)看,物體的吸熱、放熱是相對(duì)的,凡是有溫度差存在時(shí),就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處,這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現(xiàn)象.而熱傳遞的方式有三種:輻射、對(duì)流、傳導(dǎo),其中以熱傳導(dǎo)為最

11、快.我們要討論的風(fēng)冷散熱,實(shí)際上就是強(qiáng)制對(duì)流散熱. 對(duì)流換熱是指流體與其相接觸的固體表面或流體,而這具有不同溫度時(shí)所發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程.熱源將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱導(dǎo)熱介質(zhì),再由介質(zhì)傳至散熱片基部,由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過(guò)風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對(duì)流,將熱量散發(fā)到空氣中.風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣,流出熱空氣,完成熱的散熱過(guò)程. 對(duì)流換熱即受導(dǎo)熱規(guī)律的支配,又受流體流動(dòng)規(guī)律的支配,屬于一種復(fù)雜的傳熱過(guò)程,表現(xiàn)在對(duì)流換熱的影響因素比較多. 1按流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同,可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流. 3流體的物性對(duì)對(duì)流換熱的影響.例如,粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、導(dǎo)溫系數(shù)等等,它們隨流體不同而

12、不同,隨溫度變化而變化,從而改變對(duì)流換熱的效果. 4換熱表面的幾何條件對(duì)對(duì)流換熱的影響.其中包括: 1)管道中的進(jìn)口、出口段的長(zhǎng)度,形狀以及流道本身的長(zhǎng)度等; 2)物體表面的幾何形狀,尺寸大小等; 3)物體表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度; 4)物體表面的位置(平放、側(cè)放、垂直放置等)以及流動(dòng)空間的大小. 5流體物態(tài)改變的影響. 6換熱面的邊界條件,如恒熱流、恒壁溫等,也會(huì)影響對(duì)流換熱. 7.風(fēng)量和溫度的關(guān)系 TTa+1.76P/Q 式中 Ta-環(huán)境溫度, P-整機(jī)功率,W Q-風(fēng)扇的風(fēng)量,CFM T-機(jī)箱內(nèi)的溫度,舉一個(gè)電路設(shè)計(jì)中熱阻的計(jì)算的例子: 設(shè)計(jì)要求: 芯片功耗: 20瓦 芯片

13、表面不能超過(guò)的最高溫度: 85 環(huán)境溫度(最高): 55 計(jì)算所需散熱器的熱阻. 實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小,取01/W作為近似.則 (R + 0.1)× 20W = 85 - 55 得到 R = 1.4 /W 只有當(dāng)選擇的散熱器的熱阻小于1.4/W時(shí)才能保證芯片表面溫度不會(huì)超過(guò)85. 風(fēng)速(英尺/秒) 熱阻(/W) 0 3.5 100 2.8 200 2.3 300 2.0 400 1.8PCB表面貼裝電源器件的散熱設(shè)計(jì) 以Micrel公司表貼線性穩(wěn)壓器為例,介紹如何在僅使用一個(gè)印制電路板的銅鉑作為散熱器時(shí)是否可以正常工作. 1.系統(tǒng)要求: VOUT=5.0V;VIN(MAX)

14、=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;運(yùn)行周期=100%;TA=50 根據(jù)上面的系統(tǒng)要求選擇750mA MIC2937A-5.0BU穩(wěn)壓器,其參數(shù)為: VOUT=5V±2%(過(guò)熱時(shí)的最壞情況) TJ MAX=125.采用TO-263封裝,JC=3/W; CS0/W(直接焊接在電路板上). 2.初步計(jì)算: VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN)+IOUT+(VIN(MAX)×I)=9V-4.9V×700mA+(9V×15mA)=3W 溫度上升的最大值, T=TJ(MAX)

15、-TA = 125-50=75;熱阻JA(最壞情況):T/PD=75/3.0W=25/W. 散熱器的熱阻, SA=JA-(JC+CS);SA=25-(3+0)=22/W(最大). 3.決定散熱器物理尺寸: 采用一個(gè)方形、單面、水平具有阻焊層的銅箔散熱層與一個(gè)有黑色油性涂料覆蓋的散熱銅箔,并采用1.3米/秒的空氣散熱的方案相比較,后者的散熱效果最好. 采用實(shí)線方案,保守設(shè)計(jì)需要5,000mm2的散熱銅箔,即71mm×71mm(每邊長(zhǎng)2.8英寸)的正方形. 4.采用SO-8和SOT-223封裝的散熱要求: 在下面的條件下計(jì)算散熱面積大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VI

16、N(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50.在允許的條件下,電路板生產(chǎn)設(shè)備更容易處理雙列式SO-8封裝的器件.SO-8能滿足這個(gè)要求嗎?采用MIC2951-03BM(SO-8封裝),可以得到以下參數(shù): TJ MAX=125;JC100/W. 5.計(jì)算采用SO-8封裝的參數(shù): PD=14V-5V×150mA+(14V×8mA)=1.46W; 升高的溫度=125-50=75; 熱阻JA(最壞的情況): T/PD=75/1.46W=51.3/W; SA=51-100=-49/W(最大). 顯然,在沒(méi)有致冷條件下,SO-8不能滿足設(shè)計(jì)要求.考慮采用S

17、OT-223封裝的MIC5201-5.0BS調(diào)壓器,該封裝比SO-8小,但其三個(gè)引腳具有很好的散熱效果.選用MIC5201-3.3BS,其相關(guān)參數(shù)如下: TJ MAX=125 SOT-223的熱阻JC=15/W CS=0 /W(直接焊在線路板上的) . 6.計(jì)算采用SOT-223封裝的結(jié)果: PD=14V-4.9V×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W 上升溫度=125-50=75; 熱阻JA(最壞的情況): T/PD=75/1.4W=54/W; SA=54-15=39/W(最大).根據(jù)以上的數(shù)據(jù),參考圖1,采用1,400 mm2的散熱銅箔(邊長(zhǎng)1.5英寸的正方形)

18、可以滿足設(shè)計(jì)要求. 以上的設(shè)計(jì)結(jié)果可以作為粗略的參考,實(shí)際設(shè)計(jì)中需要了解電路板的熱特性,得出更準(zhǔn)確、滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)果.散熱器材料的選擇: 散熱片的制造材料是影響效能的重要因素,選擇時(shí)必須加以注意!目前加工散熱片所采用的金屬材料與常見(jiàn)金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù): 金 317 W/mK 銀 429 W/mK 鋁 401 W/mK 鐵 237 W/mK 銅 48 W/mK AA6061型鋁合金 155 W/mK AA6063型鋁合金 201 W/mK ADC12型鋁合金 96 W/mK AA1070型鋁合金 226 W/mK AA1050型鋁合金 209 W/mK 熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK,即截面積為

19、1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開(kāi)爾文(1K1)時(shí)的熱傳導(dǎo)功率. 熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好,但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格.熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀,由于質(zhì)地柔軟、密度過(guò)大、及價(jià)格過(guò)于昂貴而無(wú)法廣泛采用;鐵則由于熱傳導(dǎo)率過(guò)低,無(wú)法滿足高熱密度場(chǎng)合的性能需要,不適合用于制作計(jì)算機(jī)空冷散熱片.銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高,可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件,在計(jì)算機(jī)相關(guān)散熱片中使用較少,但近兩年隨著對(duì)散熱設(shè)備性能要求的提高,越來(lái)越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料.鋁作為地殼中含量最高的金屬,因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞;但由于純鋁硬度較小,在各種應(yīng)

20、用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金,寄此獲得許多純鋁所不具備的特性,而成為了散熱片加工材料的理想選擇. 各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要,通過(guò)調(diào)整配方材料的成分與比例,可以獲得各種不同的特性,適合于不同的成形、加工方式,應(yīng)用于不同的領(lǐng)域.上表中列出的5種不同鋁合金中:AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性,適合于擠壓成形工藝,在散熱片加工中被廣為采用.ADC12適合于壓鑄成形,但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低,因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替,可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12.AA1050則具有較好的延展性,適合于沖壓工藝,多用于制造細(xì)薄的鰭片.風(fēng)扇的選擇:     風(fēng)扇是風(fēng)冷散熱器中必不可少的組成部分,對(duì)散熱效果起著至關(guān)重要的作用,是散熱器中唯一的主動(dòng)部件;同時(shí),更對(duì)散熱器的工作噪音有著決定性的影響.風(fēng)扇在散熱中的職責(zé)為:憑借自身的導(dǎo)流作用,令空氣以一定的速度、一定的方式通過(guò)散熱片,利用空氣與散熱片之間的熱交換帶走其上堆積的熱量,從而實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)制對(duì)流”的散熱方式.     散熱片即使結(jié)構(gòu)再?gòu)?fù)雜,也只是一個(gè)被動(dòng)的熱交換體;因此,一款風(fēng)冷散熱器能否正?！肮ぷ?/p>