开关电源的几种热设计方法[版]_开关电源热设计讨论

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开关电源的几种热设计方法

[日期：2008-1-15]

来源：电子设计信息网 作者：吴晓岚

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开关电源已普遍运用在当前的各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地提高.高功率密度的定义从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高达数百瓦每立方英寸.由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。它们工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平将会影响开关电源的正常工作,严重时会损坏开关电源.为提高开关电源工作的可靠性,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。

2.热设计中常用的几种方法

为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。

3.半导体器件的散热器设计

由于半导体器件所产生的热量在开关电源中占主导地位,其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗.从电路拓扑方式上来讲,采用零开关变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可最大限度地减少开关损耗但也无法彻底消除开关管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法.3.1 散热器的热阻模型

由于散热器是开关电源的重要部件,它的散热效率高与低关系到开关电源的工作性能.散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2倍但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍.通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好.散热器的热阻模型及等效电路如上图所示

半导体结温公式如下式如示：

pcmax(ta)=(tjmax-ta)/θj-a(w)-----------------------(1)pcmax(tc)=(tjmax-tc)/θj-c(w)-----------------------(2)

pc: 功率管工作时损耗

pc(max): 功率管的额定最大损耗

tj: 功率管节温

tjmax: 功率管最大容许节温

ta: 环境温度

tc: 预定的工作环境温度

θs : 绝缘垫热阻抗

θc : 接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分)θf : 散热器的热阻抗(散热器与空气)θi : 内部热阻抗(pn结接合部与外壳封装)θb : 外部热阻抗(外壳封装与空气)根据图2热阻等效回路, 全热阻可写为:

θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/(θb +θs +θc+θf)----------------(3)又因为θb比θs +θc+θf大很多,故可近似为

θj-a=θi+θs +θc+θf---------------------(4)①pn结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗)θi是由半导体pn结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关.每种半导体都有自身固有的热阻抗.②接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定.接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时就会增大接触热阻抗θc。在半导体和散热器之间涂上硅油可以增大接触面积，排除接触面之间的空气而硅油本身又有良好的导热性，可以大大降低接触热阻抗θc。

当前有一种新型的相变材料，专门设计用采取代硅油作为传热介面，在65℃（相变温度）时从固体变为流体，从而确保界面的完全润湿，该材料的触变特性避免其流到介面外。其传热效果与硅油相当，但没有硅油带来的污垢，环境污染和难于操作等缺点。用于不需要电气绝缘的场合。典型应用包括cpu散热片，功率转换模块或者其它任何簧片固定的硅油应用场合，它可涂布在铝质基材的两面，可单面附胶，双面附胶或不附胶。

③绝缘垫热阻抗θs

绝缘垫是用于半导体器件和散热器之间的绝缘.绝缘垫的热阻抗θs取决于绝缘材料的材质、厚度、面积。下表中列出几种常用半导体封装形式的θs+θc

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

3.2 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。

4、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：

5、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。

6、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。

7、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。

基于PQ35的开关电源设计及制作

[日期：2007-12-18]

来源：电子质量 作者：陈刚

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1．引言

开关电源从上世纪50年代问世至今以体积小、效率高而广泛应用于计算机、通信装备等几乎所有的电子设备。其种类繁多、形式多样，发展趋势也朝着小体积、高效率、低成本的方向发展。这里介绍的3 00 W开关电源属于隔离型硬开关、半桥式开关电源，在较低电压(1 4V)和较大电流(2 2A)输出的条件下有很好的效率及输出指标，对核心器件(例如高频变压器)进行了合理的参数及绕制工艺设计。

高频变压器是开关电源中核心能量转换部件，它和普通工频变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁芯或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量[1]。

铁氧体磁芯有EC、EE、EDT、EP、EPC、EF、EI、PQ、RM、P、LP等多种型号，应用于各种不同的要求，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的优点，减小了电磁干扰(EMI)的传播，特别适用于开关电源变压器，在50W～1 000W范围内的效果较好。2．用PQ35/35制作300W半桥式变换器高频开关电源 2.1 300W(14V、22A)半桥式开关电源原理图00 W(1 4 V、2 2 A)半桥式开关电源原理图如图1所示。由原理图可看出，3 00 W半桥式开关电源主要由两只功率管IRFP460LC、高频变压器PQ35／35(PC40材质)、输出整流滤波电路、驱动电路、保护电路、控制电路(篇幅所限本图未给出)以及辅助电源等组成。关于半桥式开关电源原理许多书籍已详细说明，本文不再嗷述，下面详细说明高频变压器的参数设计和绕制工艺。

2．2 300W半桥式开关电源高频变压器的参数设计与绕制

半桥式高频变压器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通变化从一Bm到+Bm，属于对称式工作变压器，无需加气隙。(1)估算PQ35磁芯的功率容量 开关电源变压器功率容量计算式为[2]：

式中

PT－－变压器的视在功率，对于半桥式PT=(1／ η+1．4 1 4)P。，其中取效率η=8 5％，Po=300W，则PT=777w；

Ko－－窗口的铜填充系数，取0．5： Kf－－波形系数，方波时取4； Fw－－开关频率，本例为1 00KHz：

Bw－－磁芯工作磁通密度，一般取1／3饱和磁通密度，本例采用P C 4 0材质，饱和磁密G s=0．39T(1 00℃)，取Bw=0．1 3T： Kj－－电流密度比例系数，一般取400： X－－常数，由所选磁芯确定，可取一0．1 2。

则A P＝(7 7 7*1 04／0．5*4*1 00*1 03*0．1 3*4 00)1.14≈0．72cm4。也可以由下式计算[3]：

式中

Pt－－变压器的标称输出功率,可取1.5Po为450W;η－－变压器的效率,这里取85％： f－－开关频率，本例为1 00KH z： Bm－－磁芯的最大磁感应强度，取1 500GS：

δ－－漆包线的电流密度，1 00KHz频率可取6A／mm2： Km－－窗口的铜填充系数，取0．5： Kc－－磁芯填充系数，可取1．0。

则A P=4 5 0*1 06／(2*0．8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0．5*1)≈0．59cm4。

而查表P Q 3 5／3 5的A P=4．3 c m4，远远满足功率容量要求，之所以选PQ35也是为以后加大输出功率做准备。(2)计算原边绕组匝数

原边绕组匝数可由下面公式计算：

式中

Kf－－波形系数，方波时取

Pt－－变压器的标称输出功 4；率，可取1．5Po为4sow；

Fw--开关频率，本例为η1--变压器的效率，这里 1ooKH z： Bw－－磁芯工作磁通密度，取0．1 3T； Ae－－ 磁芯有效面积，PQ35／35为196mm2；

V－－变压器原边电压，本例中V=250*1．3／2=1 62．5V。

则Np=1 6 2．5／4*1 00*1 08*0．1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5．9，取整1 6匝。后来经过实验，取20匝比较合适。

(3)计算原、副边绕组匝数比及副边绕组 可按下式计算半桥式高频变压器的原、副边匝数比：

式中

Np--原边绕组匝数 Ns--副边绕组匝数

Vi n mi n--最小输入直流电压，在交流1 9 0 V加载下约为1 90*1．3=247V。V o p－－变压器应输出电压，为电源输出电压Vo、整流二级管正向压降Vdf和滤波电感直流压降V L三项之和除以占空比D，即Vop=(Vo+Vdf十VL)／D。在本例中Vo=14V、V df=0．7V、VL。=0．2V、D=0．8，则 Vop=(1 4+0．7+0．2)／0．8=18．625V 则Np／Ns=1／2*247／18．625≈6．6。

副边绕组Ns=NP／6．6=20／6．6≈ 3匝，在实验中2 0：3的匝比取得了很好的效果。(4)线径和根数的选取

原边绕组电流为I p=2 P o／Vsη； Po=Vop*22=14．9*22=327W；

Vsη=Vin min*η=247*98％=242．0 6，其中η为变压器的效率； 则 I p=2*3 2 7／2 4 2．0.6≈2．7A。

考虑趋肤效应，在l00KHzl00℃下穿透深度为△=7．6 5／F1/2≈0．242mm[4]，2△=0．484mm，应选择直径不超过0．484mm的漆包线。考虑有漆的厚度，实际中选取了0．49mm的高强度漆包线。

取电流密度J=6A／mm2，则单根o．49mm线径漆包线可通过电流为： I=JπD2／4=6*3．1 4*0．49*0．49／4≈1．1 3A 则初级可用3根并联。次级为I p*Np／N s／I≈1 6根。因为次级的电流比较大(2 2A)，也可用铜箔绕制。(5)高频变压器的绕制

高频变压器的绕制在制作开关电源过程中是很复杂的，当功率管由导通转为关断时，由漏感存储的能量释放会产生很大的电压尖峰，容易造成器件的损坏、并且恶化效率，所以要尽量使变压器的漏感降到最小。这里采用的是“三明治”绕法，即先绕初级的一半，再绕次级，然后绕初级的另一半。这样初级将次级包在里面，可以增加耦合，减小漏感。另外采用多股线绞合的方法，在不同的截面，每一股线交换位置，有利于电流均衡；还可以增加线材的表面积，减小高频电阻，有利于降低温升。0 0 W主功率高频变压器用0．4 9mm线径高强度漆包线，初级用3根绞线后先绕最里面的1 0圈，缠2圈胶带。接着绕中间的次级，用1 6根绞线后绕3圈，甩出中心抽头，再按原方向绕3圈，这样可在同一平面上绕完次级，只是中心抽头的来回两根线有些稍鼓出来一些，之后再缠2圈胶带。然后绕初级的后1 0圈，缠3圈胶带。绕制的时候应尽量使线均匀分布，制作完成后测量电感量为初级1．27mH；两个次级5 5μH。实践证明，这样绕制的变压器漏感很小，原、副边漏感只有几个μH。(6)驱动变压器的绕制

驱动变压器采用罐型磁芯P23／18，罐型磁芯的特点是在所有类型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散热能力，因此比较适合用来制作小功率的驱动变压器。驱动变压器用0．2mm线径，单根。先绕高桥开关管的20圈，中间绕原边的初级20圈，最后绕低桥开关管的20圈。这是另一种采用次级一初级一次级的绕法，同样可以有效地减小漏感。制好后测量电感量大概有1．3mH左右。(7)扼流圈的计算

扼流圈是开关电源二次输出级主要功率器件，也是影响输出电压指标的重要因素，过大的电感量会使输出的动态特性变差，而过小的电感量又会使输出的纹波指标率差，因此必须选取合适的电感量。粗略地可按下面公式计算：

式中

P――输出功率； F――开关频率； I――输出电流。

则电感量为L=2*P／f*I2=2*3 00／(1 00*1 03*2 22)，≈1 2 μ H。3．纹波抑制和EHI

纹波和E M I是开关电源中的重要指标，可以说是直接评价制作电源好坏的标志，因此纹波抑制和减小EM I是每个电源制作者都要绞尽脑汁去解决的。下面是300w电源的一些解决方法。

(1)300w开关电源在输入级加入了EMI电源噪声滤波器。电源EMI噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的E M I噪声；同时又能有效地抑制电源设备产生的EM I噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备，降低传导搔扰。

(2)在输出级加入了一级抑制纹波噪声的共模扼流圈。使流出的电流和流回的电流在一个小磁环上产生相反的感应磁通，使其相互抵消，极大地消除了输出的高频噪声。经过实验，未加共模扼流圈的输出电压用示波器会看到有20 0mVp-p的高频噪声，加入后只有十几mVp-p。

(3)其它的抑制措施。包括在输入级串接NTC防电网浪涌电阻、在功率开关管和输出整流二极管以及高频变压器初级接入RC吸收网络、使用超快恢复肖特基二极管等等，都可以有效地减小电压尖峰、抑制高频噪声。4．结束语 3 00W开关电源是一款实用的半桥式硬开关电源，其效率达到85％，输出纹波在交流2 20V输入满载(1 4 V、2 2 A)下只有80MVP－P，而且动态响应好，已在通信中继台上做过24小时老化实验，效果很好。其不足之处在于：由于是硬开关方式，效率没有软开关好。软开关的效率一般在90％以上。

开关电源设计中的一个难点在于主要核心器件的参数选择上，理论计算出来的数据在实际中并不一定就能带来好的效果。例如，主高频变压器的匝数比选择，作者曾经将匝数比调到18：14，结果每到两分钟开关管就烧毁了。所以，以理论为依据，从反复的实验中获得合理搭配将会提高效率并降低EMI干扰。

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