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开关电源散热器设计与制作

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来源:路盛源官网 发布时间:2017-05-11 08:54:31
开关电源为什么要安装散热器?
为使开关电源能长期可靠地工作,需要给电源中的MOSFET功率场效应开关管(含单片LED驱动电源集成电路)、输出整流管安装合适的散热器,以便将芯片内部产生的热量及时散发掉。若因散热不良致使管芯温度超过最高结温,内部保护电路就进行过热保护,将输出电流迅速拉下来,此时开关电源已无法工作了。严重过热时还会造成芯片的永久性热损坏。因此,正确设计散热器是使用开关电源的前提条件。
开关电源散热器一般有两种冷却方式,一种是借助空气对流的自然冷却,另一种是强制风冷。由于很难准确测量空气的流量,因此在设计强制风冷的散热器时必须通过实验加以验证。而自然冷却具有可设计性与可预测性的特点。需要指出的是,任何一种散热器的设计都应进行实际测试,以确定其性能。
开关电源有几种散热途径?
开关电源的散热途径有三种,分别是热传导、热对流和热辐射。热传导主要发生在芯片与散热器之间,而热对流发生在散热器和周围空气之间,热辐射是指散热器向周围空气释放热量。在不加风冷的条件下,热传导是芯片最主要的散热途径,散热途径为管芯----管壳(或小散热片)----散热器----周围空气。自然冷却时,热对流和热辐射一般可忽略不计。
 
什么是结温?
因为芯片是由半导体PN结所构成,故通常将芯片温度简称为结温。芯片的最大允许功耗取决于芯片的最高结温Tjm(也称为极限结温),仅当结温小于极限结温Tjm时开关电源才能正常工作。为安全起见,有的芯片还规定了最高工作结温Tjmax(Tjmax<Tjm),例如当Tjm等于150℃时,Tjmax等于125℃.显然,芯片的散热能力愈强,实际结温就愈低,它所能承受的功率也愈大。芯片的散热能力取决于它的热阻。
 
什么是热阻?
热阻是用来表征各种材料热传导性能的物理量,以单位功耗下材料的温升来表示。温升愈低,说明材料的散热能力愈强,即热阻小;温升高表明散热能力差,热阻大。
为偏于理解散热特性,现将热参数与电参数加以比较。不难发现,热流量与电流颇有相似的地方。在电学上,当电位差通过电阻时会产生电流;热学上,当温度梯度跨越热阻时能产生热流量。电阻代表导体对电流的阻碍作用,而热阻表示物体对热流量的阻碍作用。计算热阻的公式在形式上与欧姆定律相似。而温升(温差)又与电位差相似。由此可推断,为使散热和温升所引起功耗为最小,必须使热阻为最小;换言之,如果热阻使给定的,那么耗散更多的功率必将加快温度的升高。与电阻类似,两个热阻也可以相互串联或者并联,串联时将热阻值相加;并联时的总热阻等于两个热阻的乘积除以它们的热阻之和。
 
为何要在MOSFET功率开关管的散热器与一次侧地之间接电容器?
在设计100W以上的大功率开关电源时,为消除由散热器引入的传导噪声,可在功率开关管(MOSFET)的散热器与一次侧地之间接一只陶瓷电容器,容量可选3.3nF/630V。同时,还可在输出整流管的散热器与二次侧地之间接一只3.3nF/630V陶瓷电容器。