電源適配器熱設(shè)計的方法

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電源適配器熱設(shè)計的方法

電源適配器在運行時由于內(nèi)部功率消耗將產(chǎn)生一些熱量，在每一應(yīng)用中都有必要限制這種“自身發(fā)熱”，使電源適配器外殼溫度不超過指定的最大值。電源適配器在工作時若發(fā)熱量太大，又來不及向周圍媒質(zhì)消散，電源適配器就會因為超過正常的工作保證溫度而失效。因此，選配合適的散熱器是電源適配器可靠工作的重要條件之一。在電源適配器熱設(shè)計中所需的主要參數(shù)如下。
（1）電源適配器中開關(guān)管的工作結(jié)溫Tj，即開關(guān)管允許的最高工作溫度極限。該參數(shù)由制造商提供，或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給出強制要求。
（2）電源適配器的損耗功率P，是電源適配器在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。
（3）電源適配器的耗散功率Q，即特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。
（4）電源適配器與工作環(huán)境之間的熱阻R，即熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。
電源適配器的散熱設(shè)計取決于電源適配器中開關(guān)管所允許的最高結(jié)溫（Tj）。在該溫度下，首先要計算出電源適配器產(chǎn)生的損耗，按損耗使開關(guān)管結(jié)溫升至允許值以下來選擇散熱片。在散熱設(shè)計不充分的場合，實際運行在中等水平時，也有可能超過開關(guān)管的允許溫度而導(dǎo)致電源適配器性能下降或損壞。
為了給電源適配器中開關(guān)管選出最佳的散熱器，上述各參數(shù)需要相互配合。配置散熱器的原則是，必須保證散熱器能將開關(guān)管的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使開關(guān)管的結(jié)溫不超過Tj。設(shè)環(huán)境溫度為Ta，用公式表示為：

式中，P為電源適配器的損耗功率，是電源適配器在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積；Q為耗散功率，即特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力；Tj為開關(guān)管的工作結(jié)溫，即開關(guān)管允許的最高工作溫度極限；Ta為環(huán)境溫度；R為熱阻，即熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。

熱阻R主要由3個部分組成：

式中，Rjc為開關(guān)管芯片至管殼的熱阻；Rcs為管殼至散熱器的熱阻；Rsa為散熱器至空氣的熱阻。
（1）Rjc與開關(guān)管的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。
（2）Rcs與開關(guān)管外殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（通常為空氣）、接觸面的粗糙度和平面度及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。
（3）Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積及空氣流速等參量有關(guān)。
綜合式（2-4）和式（2-6），可得：

式（2-4）為散熱器選配的基本原則，一般散熱器廠商提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，據(jù)此設(shè)計人員可計算出所需散熱器的表面積、長度、重量，并進一步求得散熱器的熱阻Rsa。
在實際設(shè)計中應(yīng)留出足夠余量，因為提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、由開關(guān)管到散熱器的安裝狀況、散熱器表面的空氣對流狀態(tài)、熱量的非穩(wěn)態(tài)分布等，都是非理想化的因素，應(yīng)將這些因素考慮到設(shè)計中。

另外，散熱器表面向空氣的熱輻射也是一種熱耗散方式。在自冷設(shè)計中廣泛應(yīng)用的陽極氧化發(fā)黑和打毛處理工藝，是增加熱輻射的有效方法。但該方法明顯不適用于要求強迫風(fēng)冷的以對流傳導(dǎo)為主要方式的熱設(shè)計，因為散熱器表面越光亮則熱阻越低，這是在設(shè)計中要特別注意的。

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| 發(fā)布時間：2019.09.12 來源：電源適配器廠家

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