鉅大LARGE | 點擊量：1096次 | 2020年02月27日
散熱應考慮的問題：確保第二代高密度DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊性能
由于按標準尺寸生產(chǎn)的第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊具有更大的功率密度，為保證給負載提供足夠的功率，必需采取適當?shù)氖┐脒M行熱量管理。在熱量管理中，效率不僅是應考慮的項目，而且是重要參數(shù)。當設(shè)計或選用電源時，應正確估量變換過程中產(chǎn)生的熱量即。
圖1VicorDC-DC轉(zhuǎn)換器模塊V300A48C50OA的效率與輸入電壓和輸出電流的關(guān)系
所有電源產(chǎn)品都注明最高工作溫度，其可靠性和工作壽命都與工作溫度成反比。一臺耐用電源的設(shè)計，要求在任何工作狀態(tài)下，不僅不能超過溫度極限，并且應留有足夠的余量。這就要求認真計算電源中產(chǎn)生的熱量并通過實驗驗證，然后根據(jù)負載和工作環(huán)境的要求，選擇更有效的熱量管理方法。
散熱設(shè)計
確定在最壞情況下的功耗
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
利用下式可以計算出轉(zhuǎn)換器在整個工作范圍內(nèi)輸出最大負載電流時的效率。變換效率定義如下：
n=po/pin(1)
式中，po為輸出功率；pin為輸入功率。
電源模塊通常都給出其典型效率值，但是給出的數(shù)值不可能適用于所有工作狀態(tài)。通常，還會給出效率與其它規(guī)定參數(shù)的關(guān)系曲線。VicorDC-DC轉(zhuǎn)換器模塊V300A48C500A(額定輸入電壓為300Vdc、直流輸出電壓為48Vdc，在室溫下輸出功率為500W)效率與輸出電流和輸入電壓的關(guān)系，如圖1所示。
從圖1可出看出，在大部分工作范圍內(nèi)，效率曲線非常平坦，通常DC-DC轉(zhuǎn)換器只提供規(guī)定電源電壓和負載時的效率。但是轉(zhuǎn)換器通常不會僅僅工作于這一點，為了正確進行散熱設(shè)什，必須認真分析完整的效率曲線。最佳散熱設(shè)計應當根據(jù)最壞工作條件下，預期工作溫度范圍內(nèi)的效率計算出最大功耗。
另外，還可以看出，在大部分輸出電流范圍內(nèi)，當輸入額定電壓時，轉(zhuǎn)換器的效率為89％。在我們的設(shè)計實例中，將該效率作為最壞情況下的效率。如果該轉(zhuǎn)換器模塊滿載工作(po=500W)，產(chǎn)生熱量的功耗為：
pd＝po/n-po(2)
由此式可得出,pd＝61.8W
確定該功耗引起的轉(zhuǎn)換器模塊底板的溫升
所有廠家均給出轉(zhuǎn)換器模塊的熱參數(shù)，以上述Vicor型號為例，從底板測試的最高承受工作溫度是100℃(Tb)。在空氣中的熱阻值為4.9℃/W，因此，轉(zhuǎn)換器模塊在自然環(huán)境中的溫升可簡化為：
Tr＝pd=302.8℃(3)
在這種情況下，考慮到最高溫升，轉(zhuǎn)換器模塊不可能在無強制通風的條件下滿載工作，即使模塊的效率為92％，模塊在自然環(huán)境中的溫升也將高達213℃，遠遠超過模塊底板所能承受的最高溫度。高效率仍不能解決該系統(tǒng)的工作問題，為此，應用中，底板必須加裝散熱器或者采取減小底板熱阻的措施。
確定熱阻
為了選用適當?shù)纳崞?，得到底板允許的溫升，必須選取使底板溫升維持在規(guī)定范圍以內(nèi)所需的熱阻，確定最高底板溫度與預期環(huán)境溫度之差。
如果最高環(huán)境溫度55℃，該Vicor模塊的允許溫升即45℃(100℃-55℃)，所需的熱阻允許溫升除以最大功耗pd，即
max＝Tr(aIlowed)/pd(4)
在該實例中，計算出的熱阻0.73℃/W為允許的最大熱阻。這樣，在最高環(huán)境溫度下，模塊可在規(guī)定的最高溫度下滿載工作。應當說明，該熱阻是系統(tǒng)中所有接觸面熱阻之和。由此可知，選擇合適的熱接觸面材料對減小熱阻是非常重要的。在任何情況下，接觸面的熱阻越小，散熱性能越好。Vicor可提供ThermMate變相(phaseChange)材料，該材料與干式熱墊片相比，接觸熱阻可減少到十分之一。
在可能發(fā)生的任何情況下，采用適當?shù)拇胧?，最大熱阻應?.75降額系數(shù)。根據(jù)降額系數(shù)，可以得到更小的熱阻0.547℃/W。利用以下任意一種散熱方法，都可獲得如此小的熱阻：
自然對流散熱：將熱能傳輸?shù)阶匀豢諝饬髦校?/p>
強制對流散熱：將熱能傳輸?shù)揭苿拥目諝饬髦校?/p>
傳導散熱：熱量通過固體介質(zhì)傳遞。
不管散熱器或者安裝模塊的導熱表面形狀如何，只要散熱表面積較大，就很容易實現(xiàn)空氣自然對流散熱。許多電源模塊生產(chǎn)廠家都將散熱器作為電源模塊的組成部分提供給用戶。在某些實際應用中，為了使電源模塊的溫度保持在極限值以內(nèi)，必須采用強制空氣對流散熱。某些電源模塊生產(chǎn)廠家，也把散熱器作為電源模塊的附件供給用戶，此外，散熱器生產(chǎn)廠家還可根據(jù)用戶提供的技術(shù)要求定制專用的散熱器。采用傳導散熱器時，電源模塊產(chǎn)生的熱量都通過固體熱傳導介質(zhì)傳送到周圍的空氣中。
熱流通路的考慮
在電源模塊內(nèi)，開關(guān)組件產(chǎn)生的熱量都傳導到模塊的底板上，然后再通過熱接觸表面材料傳導到外殼內(nèi)的金屬板上，金屬板又通過傳導方式將熱量散發(fā)到周圍的空氣中。對于傳導散熱來說，電源模塊裝在密封的NEMA外殼中是理想的方法，模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量可以先傳輸?shù)酵鈿ど?，然后再散發(fā)到周圍的空氣中。采用傳導散熱時，用戶必須保證電源模塊的參數(shù)在極限值以內(nèi)。因為電源模塊的安裝表面不能有效地散熱。為了改善散熱條件，用戶還必須采用一系列的折衷方案。某些易變的參數(shù)必須留有一定的余量，還應當考慮系統(tǒng)內(nèi)部電源模塊放置方向和氣流方向。
無論利用何種散熱方法都建議采用保守的設(shè)計方法。散熱系統(tǒng)工作狀態(tài)還必須通過直接測試溫度來驗證。通風障礙、渦流和安裝位置不當都會阻礙空氣流通，從而導致散熱能力明顯減小。
對體積的考慮
在某些應用中，對電源的體積無嚴格要求時，可以加入熱阻更低的的散熱器。對于帶有特殊熱接觸表面材料的模塊在可利用的空間內(nèi)，簡單選擇散熱面積較大的散熱器和其它附件，即可保證模塊可靠工作，但是更常見的情況，電源模塊可利用的空間很小，在許多通信設(shè)備中，在較大的框架上，許多印刷電路板緊密地排列在一起。印刷電路板之間的空間通常稱作間距。為了充分利用有效空間，更多的印刷電路板將裝入給定的空間內(nèi)，這將使印刷電路板上組件的高度受到嚴格限制，常用的散熱器很難滿足模塊高度的要求，為了減小印刷電路板上電源模塊的高度，電源模塊可以加裝熱特性適當且較薄的邊緣葉片散熱器。
適用于標準型、小型和微型電源模塊的邊緣葉片散熱器的產(chǎn)品編號分別為：20394、20393和20392。該散熱器將葉片移到模塊的兩側(cè)，只比模塊底板高出0.125英寸。靠近印刷電路板的葉片端頭可方便形成通風道，強制空氣流可流過該通風道。從而提高散熱效果。
