電源適配器熱設計的方法

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電源適配器熱設計的方法

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較大值。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)管允許的較高工作溫度極限。該參數(shù)由制造商提供，或產(chǎn)品標準給出強制要求。
（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計取決于電源適配器中開關(guān)管所允許的較高結(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)管選出較佳的散熱器，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至周圍環(huán)境，并使開關(guān)管的結(jié)溫不超過Tj。設環(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)管允許的較高工作溫度極限；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。
在實際設計中應留出足夠余量，因為提供數(shù)據(jù)的準確性、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，應將這些因素考慮到設計中。

另外，散熱器表面向空氣的熱輻射也是一種熱耗散方式。在自冷設計中廣泛應用的陽極氧化發(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冷的以對流傳導為主要方式的熱設計，因為散熱器表面越光亮則熱阻越低，這是在設計中要特別注意的。

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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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