以博大電源模塊為例詳解模塊電源散熱

電源模塊在運(yùn)行過程中，由于模塊內(nèi)部將產(chǎn)生功率消耗，而且以熱量的形式產(chǎn)生，若不將這些熱量發(fā)散出去，將會(huì)聚積在模塊內(nèi)部，使得溫度過高，進(jìn)而可能促使功率器件超過額定的溫度極限；輕則縮短模塊電源使用壽命，重則損壞模塊。所以散熱設(shè)計(jì)對(duì)于電源模塊來說至關(guān)重要。一般額定操作溫度的定義，均是以外殼溫度或指定之熱點(diǎn)為溫度量測基準(zhǔn)，如下圖的紅點(diǎn)所示。

以將基準(zhǔn)溫度降低至額定范圍內(nèi)為散熱設(shè)計(jì)之目標(biāo)。一般而言，電源模塊最大可操作的外殼溫度極限，依不同設(shè)計(jì)，多設(shè)定在100℃~110℃左右。

1、外殼溫度估算

在一般應(yīng)用中，通常采用實(shí)際測量來得出實(shí)際外殼溫度。但在部份情況下，實(shí)際測量無法實(shí)現(xiàn)；此時(shí)則可通過估算的方式得出大概的外殼溫度。

下面就通過博大科技電源模塊的實(shí)際范例，介紹電源模塊外殼溫度估算的步驟，以避免模塊工作超過最高外殼工作溫度。

估算步驟如下：

STEP 1 --- 確定電源模塊最大的操作環(huán)境溫度(Ta)

STEP 2 --- 估算最大輸出功率(Po)

估算實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所需的最大輸出功率Po。如果是多路輸出，則指多路輸出的總輸出功率。計(jì)算方程式為

STEP 3 --- 確定轉(zhuǎn)換效率(η)

一般模塊只提供額定輸入電壓在滿負(fù)載輸出功率及25℃環(huán)境溫度下的效率值，實(shí)際上在不同的負(fù)載情況或輸入電壓時(shí)，以及不同的操作環(huán)境溫度，效率會(huì)發(fā)生一些改變，博大科技電源模塊在規(guī)格書內(nèi)都已提供上述的效率曲線圖，可依照實(shí)際的條件，查詢轉(zhuǎn)換效率。

STEP 4 --- 確定外殼對(duì)環(huán)境的熱阻(θca)

熱阻定義為單位消耗功率所產(chǎn)生的上升溫度，通常以℃/W表示。

STEP 5 --- 估算電源模塊本身所產(chǎn)生之消耗功率(Pd)。

方程式如下：

STEP 6 --- 估算電源模塊外殼的工作溫度（Tc）。

方程式如下：

STEP 7 --- 確認(rèn)上述外殼工作溫度應(yīng)在最高工作溫度以下。

實(shí)例詳解

以博大科技40W電源模塊 FEC40-48S05（輸出電壓：5V,滿載電流：8.0A）為例為大家介紹一下如何估算電源模塊外殼溫度。

假設(shè)實(shí)際操作條件如下：

-- 最大操作環(huán)境溫度(Ta)為50℃

-- 輸入電壓(Vin)為48V時(shí)

-- 輸出電壓(Vout)為5V時(shí)

-- 實(shí)際負(fù)載電流(Iout)為6.4A。(6.4A / 8.0A = 80%滿負(fù)載)

-- 實(shí)際輸出功率(Po)為5Vout * 6.4A = 32W

依規(guī)格書所提供的輸出負(fù)載及輸入電壓對(duì)效率的曲線圖可查出，在Vin=48V，Iout=80%滿負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)換效率η=92%

由規(guī)格書中可以查詢到，在不加散熱片及無強(qiáng)制氣流的情況下

θca = 9.2 (℃/W)

計(jì)算電源模塊之消耗功率：

計(jì)算電源模塊外殼溫度：

結(jié)論：

在此操作條件下，外殼溫度（Tc）約為75.6℃，低于額定溫度100℃，故符合工作溫度和設(shè)計(jì)使用要求。

2、散熱設(shè)計(jì)

如果上述的估算已經(jīng)超過外殼最大工作溫度，則必須增加散熱的設(shè)計(jì)。

由估算外殻溫度的方程式 可知，Ta及Pd是系統(tǒng)操作時(shí)的條件，可視為定值，故要降低外殼溫度，需要由降低外殼到環(huán)境的熱阻(θca)著手，θca也是散熱設(shè)計(jì)中最重要的因子。

在博大科技電源產(chǎn)品的規(guī)格書內(nèi)，都有提供在多種散熱條件下，模塊到環(huán)境的熱阻值。這個(gè)熱阻值是在恒溫、恒濕及可控風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備里直接測得，非常具有參考價(jià)值。具體標(biāo)準(zhǔn)測量方法如下圖：

3、散熱方法

在系統(tǒng)沒有任何散熱設(shè)計(jì)的情況下，應(yīng)該確保頂部和底部保留足夠的氣流信道，使模塊在運(yùn)作產(chǎn)生熱能時(shí)，與環(huán)境空氣因溫度差而產(chǎn)生自然對(duì)流冷卻。

在氣流信道不完善的情況下，導(dǎo)致模塊殼溫過高時(shí)，可以通過以下的方式，做為散熱設(shè)計(jì)。

□ 增加散熱片

散熱片的主要作用，是增加熱源對(duì)環(huán)境空氣之間的接觸面積，在有適當(dāng)空氣對(duì)流的情況下(包含自然對(duì)流)，可明顯的降低熱阻θca。

散熱片與電源模塊外殼在直接接合時(shí)，因?yàn)橥鈿づc散熱片都是堅(jiān)硬的材質(zhì)，并無法確保完全密合平整，多少會(huì)產(chǎn)生一些縫隙，這將會(huì)增加熱阻；所以電源模塊在組配散熱片時(shí)需使用導(dǎo)熱的表面材料，如導(dǎo)熱硅脂(Thermal compound)、導(dǎo)熱硅膠片(Thermal Pad)等，來確保外殼與散熱片的緊密結(jié)合及減少縫隙；組裝結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。

組配后的熱阻θca為θcp、θph、θha的總和；因?yàn)榭諝庠诓涣鲃?dòng)的情況下熱阻極大，故與空氣接觸的θha為最主要的熱阻。

使用散熱片可以大幅度降低θha的方式，但若θcp、θph不佳，也會(huì)影響到總熱阻θca，這也是為什么需要使用具有良好導(dǎo)熱性及填縫效果之Thermal Pad的原因。

最好的散熱片擺放方式，是散熱片的鰭片上下垂直于空氣中，形成良好的”煙囪效應(yīng)”，如此才能擁有最好的自然對(duì)流效果；在無強(qiáng)制氣流輔助散熱的情況下，尤其重要。

博大科技原廠可以提供不同熱阻、樣式的散熱片，具體情況可以咨詢博大科技電源產(chǎn)品代理商深圳市中電華星電子技術(shù)有限公司。

□ 強(qiáng)制氣流

一般使用風(fēng)扇來產(chǎn)生強(qiáng)制氣流，藉由空氣快速的流動(dòng)，將熱能量由外殼表面帶走，這是減少模塊熱阻θca的有效方法，尤其在開放式的模塊(Open Frame Module)中，常使用此方式散熱；氣流的定義通常采用線性英尺每分鐘（LFM）或立方英尺每分鐘（CFM）(CFM = LFM * Area)；以LFM為主。

風(fēng)速愈大，熱阻愈小，則散熱效果愈佳；使用時(shí)需留意風(fēng)向避免與模塊腳框（frame）垂直，這樣會(huì)降低散熱效果。

若系統(tǒng)中同時(shí)使用散熱片及強(qiáng)制氣流，則氣流與散熱片方向的搭配方式，應(yīng)如左下圖所示，方可得到最佳的散熱效果；而如右下圖所示的方式是錯(cuò)誤的，氣流不順暢，散熱效果不佳。

博大科技公司電源模塊都可以提供各模塊對(duì)應(yīng)各風(fēng)速的熱阻。具體情況可以咨詢博大科技電源代理商深圳中電華星電子技術(shù)有限公司。

□ 電源模塊與機(jī)架外殼連接

使用電源模塊之系統(tǒng)，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)有金屬外殼（chassis）或機(jī)架，則可利用此機(jī)架外殼當(dāng)成散熱片，將熱能量疏導(dǎo)到機(jī)架外殼上；但需留意機(jī)架外殼與模塊之間是否密合，密合程度愈高，則導(dǎo)熱及散熱效果愈好；若機(jī)架外殼表面不甚平整，則必要時(shí)可選擇較厚或較柔軟的導(dǎo)熱硅膠片，將接合縫隙填滿，產(chǎn)生最佳的組配結(jié)合。

依照中電華星多年來對(duì)模塊電源的研究和使用經(jīng)驗(yàn)，最后需要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：

一是如果模塊要求的最高殼溫不能超過某個(gè)溫度值，那么模塊最安全、最穩(wěn)定、最高效的運(yùn)行殼溫應(yīng)為該溫度值的70%或以下，例如一個(gè)模塊標(biāo)稱的最高殼溫為100℃，那么經(jīng)過冷卻設(shè)計(jì)最好的運(yùn)行殼溫應(yīng)為70℃。