开关电源的热设计

开关电源内部的温升过高，将会导致对温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律新增。有统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性就要下降10％；温升50℃时的寿命只有温升25°C时的1/6。除了电应力之外，温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。高频开关电源有大功率的发热器件，温度更是影响其可靠性的最重要的因素之一。完整的热设计包括两个方面：一是如何控制发热源的发热量；二是如何将发热源出现的热量散发出去，使开关电源的温升控制在允许的范围之内，以保证开关电源的可靠性。下面从两个方面加以说明。

（1）控制发热量的设计

开关电源中重要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同的元器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一，减小它的发热量，不仅可以提高功率管的可靠性，而且还可以提高开关电源的可靠性，提高平均无故障时间（MTBF）。开关管的发热量是由损耗引起的，开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成，减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗；开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的，减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来实现。但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗，如采用软开关技术，可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量，对交流整流及缓冲二极管，一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗，可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。关于变压器次级的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。关于高频磁性材料引起的损耗，要尽量防止集肤效应，关于集肤效应造成的影响，可以采用多股细漆包线并绕的办法来解决。

（2）开关电源的散热设计

功率MOSFET管导通时有一定的压降，也即器件有一定的损耗，它将引起芯片的温升，但是器件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关。由此，器件功耗有一定的容限。其值按热欧姆定律可以表示为：

式中Tj——额定结温（Tj＝150℃）；

Tc——壳温：

RT——结到管壳之间的稳态热阻。

Tj代表器件的耐热能力，Tc和RT代表器件的散热条件，而pD则是器件的发热情况。它必须在器件的耐热能力和散热条件之间取得平衡。

散热有三种基本方式：即热传导、热辐射和热对流。根据散热的方式，可以选用自然散热；力l装散热器；或选择强制风冷：加装风扇。加装散热器重要是利用热传导和热对流，即所有的发热元器件都固定在散热器上，热量通过传导的方式传递到散热器上，散热器上的热量再通过能流换热的方式由空气带出机箱。实际的散热情况为三种传热方式的综合，可以用牛顿公式统一来表达：

式中S——散热表面积；

K——表面散热系数。

表面散热系数通常由试验来确定，在一般的工程流体力学中有数据可查。它把传热的三种形式全部统一起来了。

通过Φ＝KST，可以在计算出耗散功率之后，根据允许的温升r来确定散热表面积S，并由此而确定所要选择的散热器。这种计算关于提高开关电源的可靠性、功率密度、性能价格比等，都有重要意义。假如采用强制风冷，如装风扇，则对整流模块来说，风扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制约整流模块提高MTBF的瓶颈，所以采取各种措施提高散热效率来延长风扇的寿命具有重要意义。