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电源适配器热设计的方法

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电源适配器热设计的方法

电源适配器在运行时由于内部功率消耗将产生一些热量,在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”,使电源适配器外壳温度不超过指定的最大值。电源适配器在工作时若发热量太大,又来不及向周围媒质消散,电源适配器就会因为超过正常的工作保证温度而失效。因此,选配合适的散热器是电源适配器可靠工作的重要条件之一。在电源适配器热设计中所需的主要参数如下。
(1)电源适配器中开关管的工作结温Tj,即开关管允许的最高工作温度极限。该参数由制造商提供,或产品标准给出强制要求。
(2)电源适配器的损耗功率P,是电源适配器在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。
(3)电源适配器的耗散功率Q,即特定散热结构的散热能力。
(4)电源适配器与工作环境之间的热阻R,即热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。
电源适配器的散热设计取决于电源适配器中开关管所允许的最高结温(Tj)。在该温度下,首先要计算出电源适配器产生的损耗,按损耗使开关管结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合,实际运行在中等水平时,也有可能超过开关管的允许温度而导致电源适配器性能下降或损坏。
为了给电源适配器中开关管选出最佳的散热器,上述各参数需要相互配合。配置散热器的原则是,必须保证散热器能将开关管的热损耗有效地传导至周围环境,并使开关管的结温不超过Tj。设环境温度为Ta,用公式表示为:


式中,P为电源适配器的损耗功率,是电源适配器在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积;Q为耗散功率,即特定散热结构的散热能力;Tj为开关管的工作结温,即开关管允许的最高工作温度极限;Ta为环境温度;R为热阻,即热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。

热阻R主要由3个部分组成:

式中,Rjc为开关管芯片至管壳的热阻;Rcs为管壳至散热器的热阻;Rsa为散热器至空气的热阻。
(1)Rjc与开关管的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。
(2)Rcs与开关管外壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度和平面度及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。
(3)Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积及空气流速等参量有关。
综合式(2-4)和式(2-6),可得:

式(2-4)为散热器选配的基本原则,一般散热器厂商提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量,并进一步求得散热器的热阻Rsa。
在实际设计中应留出足够余量,因为提供数据的准确性、由开关管到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等,都是非理想化的因素,应将这些因素考虑到设计中。
另外,散热器表面向空气的热辐射也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺,是增加热辐射的有效方法。但该方法明显不适用于要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的热设计,因为散热器表面越光亮则热阻越低,这是在设计中要特别注意的。

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| 发布时间:2019.09.12    来源:电源适配器厂家
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