电源适配器可靠性热设计

      除了电应力之外,温度是影响设备可靠性最重要的因素｡电源设备内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值时将导致元器件失效｡国外统计资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,温升为50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6｡需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升,这就是热设计｡热设计的原则,一是减少发热量,即选用更优的控制方式和技术,如移相控制技术､同步整流技术等,选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源适配器的效率｡二是加强散热,即利用传导､辐射､对流技术将热量转移,这包括采用散热器､风冷(自然对流和强迫风冷)､液冷(水､油)､热电致冷､热管等方法｡强迫风冷的散热量比自然冷却大10倍以上,但是要增加风机､风机电源､联锁装置等,这不仅使设备的成本和复杂性增加,而且使系统的可靠性下降,另外还增加了噪声和振动,因而在一般情况下应尽量采用自然冷却,而不采用风冷､液冷之类的冷却方式｡在元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部,散热器采用氧化发黑工艺处理,以提高辐射率,不允许用黑漆涂覆｡喷涂三防漆后会影响散热效果,需要适当加大裕量｡散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面涂上硅脂以提高导热率｡变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升｡

电源适配器热设计

      由于电源适配器模块的转换效率不可能是100%,因此自身有一定的功耗,电源模块本身发热的高低主要取决于电源模块的转换效率｡在一定外壳散热条件下,电源模块存在一定的温升(即壳温与环境温度的差异)｡电源模块外壳散热表面积的大小直接影响温升｡对于温升的粗略估计可以使用这样的公式:温升=热阻系数×模块功耗｡热阻系数对于涂黑紫铜的外壳P25xx(用于SMP1250系列产品的外壳)来说约为3.76℃/W｡这里的温升和系数是在模块直立,并使下方悬空1cm,自然空气流动的情况下测试的｡对于温度较高的地方须将模块降额使用以减小模块的功耗,从而减小温升,保证外壳不超过极限值｡对于功率较大的模块,须加相应的散热器以使模块的温升得到下降｡不同的散热器在自然的条件下有不同的对环境的热阻,主要影响散热器热阻的因素是散热器的表面积｡同时考虑到空气的对流,如果使用带有齿的散热器应考虑齿的方向尽量不阻碍空气的自然对流｡例如:当使用的模块输出功率为100W､效率为82%时,满载时模块的功耗为100/0.82-100=22W,选用附件中的WwS75(75W)散热器,其热阻为1.9℃/W,不考虑原外壳的横向散热,自然散热的温升为1.9×22=42℃｡

       所有的功率转换产品在运转时,由于内部功率消耗都将产生一些热量｡在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”,使模块外壳温度不超过指定的最大值｡下面介绍DC/DC转换器外壳升温的大概过程｡

  (1)可用的功率密度

       绝大多数DC/DC转换器生产商都以产品的功率密度作为水准,衡量产品的有效性｡功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)来表示｡了解功率密度定义的条件是非常重要的｡如果用户不能在规定的最大的环境温度范围内使用DC/DC转换器,就有可能达不到参数中的最大输出功率｡DC/DC转换器可用的平均输出功率就是可用的功率密度｡在下面的应用中,可用的功率密度取决于下列因素

      ①要求的输出功率｡要求的输出功率是应用需要的最大平均功率,在多输出DC/DC转换器中就是各个独立输出的输出功率的总和

      ②转换效率｡转换效率7是指输出功率与输入功率之比(7=Pa/Pn)｡内部功率消耗可以从转换效率推导得出(P==Po=(1-n)/y)｡最具代表性的效率值是在额定输人电压和满负载输出功率下的值｡由于负载的减少或输入电压的变化,效率会发生一些改变

  (2)电源适配器热阻抗

       热阻抗的定义是功率消耗产生的温升｡热阻抗通常用℃/W表示

  (3)电源适配器外壳最高工作温度

  所有DC/DC转换器都规定了外壳最高工作温度｡该温度是指DC/DC转换器内部的元件工作时所能承受的最高温度,为保持转换器的可靠性,应工作在最高温度以下

  工作环境温度指在DC/DC转换器工作时周围环境的最差的环境温度

  2计算机壳温度

  在应用场合中有许多因素都有可能影响外壳工作温度｡在应用中,温度的冷却和最高外壳工作温度都需要经常认真地核对､检查｡估算外壳工作温度过程如下

  ①确定应用所需要的最大输出功率

  ②确定应用的最高工作环境温度,应该用DC/DC转换器周围最高环境温度｡

  ③确定内部功率消耗(Pn=P=(1-n)/n)

  ④计算所估计的外壳工作温度(Tn= Lambent+Puat×R,R=R+R｡其中T为外壳温度, Ambient为环境温度, Internal为内部功率消耗,R｡为外壳到环境的热阻抗,R为外壳到散热片的热阻抗,R｡为散热片到环境的热阻抗)｡

  ⑤在应用中通过测量外壳温度检验热特性｡