散热器热阻抗 - 开关电源的热设计方法解析

　　④散热器热阻抗θf

　　散热器热阻抗θf与散热器的表面积、表面处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。因此一般都会设法增强散热器的散热效果，主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增强散热器表面的风速。散热器的散热面积设计值如下图所示：

 

　　但如果过于追求散热器的表面积而使散热器的叉指过于密集则会影响到空气的对流，热空气不易于流动也会降低散热效果。自然风冷时散热器的叉指间距应适当增大，选择强制风冷则可适当减小叉指间距。如上图所示：

　　⑤散热器表面积计算

　　s=0.86w/(δt*α)　(m2)

　　δt: 散热器温度与周围环境温度（ta）的差（℃）

　　α： 热传导系数，是由空气的物理性质及空气流速决定。α由下式决定。

　　α=nu*λ/l ()

　　λ:热电导率（kcal/m2h）空气物理性质

　　l：散热器高度（m）

　　nu：空气流速系数。由下式决定。

　　nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

　　v：动粘性系数（m2/sec）,空气物理性质。

　　v’:散热器表面的空气流速(m/sec)

　　pr: 系数,见下表

 

　　2.2 散热设计举例

　　[例] 2scs5197在电路中消耗的功率为pdc=15w,工作环境温度ta=60℃,求在正常工作时散热器的面积应是多少?
　
　　解: 查2scs5197的产品目录得知:pcmax=80w(tc=25℃),tjmax=150℃且该功率管使用了绝缘垫和硅油. θs+θc=0.8℃/w

　　从(2)式可得

　　θi=θj-c=(tjmax-tc)/pcmax-=(150-25)/80≒1.6℃/w

　　从(1)式可得

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

　　从(4)式可得

　　θf=θj-a－(θi＋θc＋θs) ≒6－(1.6+0.8)=3.6℃/w

　　根据上述计算散热器的热阻抗须选用3.6℃/w以下的散热器.从散热器散热面积设计图中可以查到:使用2mm厚的铝材至少需要200cm2,因此需选用140*140*2mm以上的铝散热器.

　　注：在实际运用中，tjmax必须降额使用，以80%额定节温来代替tjmax确保功率管的可靠工作。

　　3、自然风冷与强制风冷

　　在开关电源的实际设计过程中，通常采用自然风冷与风扇强制风冷二种形式。自然风冷的散热片安装时应使散热片的叶片竖直向上放置，若有可能则可在pcb上散热片安装位置的周围钻几个通气孔便于空气的对流。

　　强制风冷是利用风扇强制空气对流，所以在风道的设计上同样应使散热片的叶片轴向与风扇的抽气方向一致，为了有良好的通风效果越是散热量大的器件越应靠近排气风扇，在有排气风扇的情况下，散热片的热阻如下表所示：

 

　　4、金属pcb

　　随着开关电源的小型化，表面贴片元件广泛地运用到实际产品中，这时散热片难于安装到功率器件上。当前克服该问题主要采取金属pcb作为功率器件的载体，主要有铝基覆铜板、铁基覆铜板，金属pcb的散热性远好于传统的pcb且可以贴装smd元件。另有一种铜芯pcb，基板的中间层是铜板绝缘层采用高导热的环氧玻纤布粘结片或高导热的环氧树脂，它是可以双面贴装smd元件，大功率smd元件可以将smd自身的散热片直接焊接在金属pcb上，利用金属pcb中的金属板来散热。

　　5、发热元件的布局

　　开关电源中主要发热元件有大功率半导体及其散热器，功率变换变压器，大功率电阻。发热元件的布局的基本要求是按发热程度的大小，由小到大排列，发热量越小的器件越要排在开关电源风道风向的上风处，发热量越大的器件要越靠近排气风扇。

　　为了提高生产效率，经常将多个功率器件固定在同一个大散热器上，这时应尽量使散热片靠近pcb的边缘放置。但与开关电源的外壳或其它部件至少应留有1cm以上的距离。若在一块电路板中有几块大的散热器则它们之间应平行且与风道的风向平行。在垂直方向上则发热小的器件排在最低层而发热大的器件排在较高处。

　　发热器件在pcb的布局上同时应尽可能远离对温度敏感的元器件，如电解电容等。

　　6、结语

　　开关电源的热设计应充分考虑产品所处的工 作环境及实际的工作状态并将上述几种方法综合运用才能设计出既经济又能充分保证半导体散热的开关电源产品。