开关电源热设计讨论

幸福的胖子

借本论题探讨热设计的方法及可靠性设计
先开个头：散热设计的一些基本原则
　　从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则：
　　·对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按纵长方式排列，如图3示；对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按横长方式排列。
　　 ·同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。
　　·在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。
　　·对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。
　　·设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。

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电子设备散热的重要性
在电子设备广泛应用的今天。如何保证电子设备的长时间可靠运行，一直困扰着工程师们。造成电子设备故障的原因虽然很多，但是高温是其中最重要的因素（其它因素重要性依次是振动Vibration、潮湿Humidity、灰尘Dust），温度对电子设备的影响高达60％。
温度和故障率的关系是成正比的，可以用下式来表示：
F = Ae-E/KT
其中：
F = 故障率,
A=常数
E = 功率
K =玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K)
T = 结点温度

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随着芯片的集成度、功率密度的日愈提高，芯片的温度越来越成为系统稳定工作、性能提升的绊脚石。作为一个合格的电子产品设计人员，除了成功实现产品的功能之外，还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命，环境适应能力等等。而这些都和温度有着直接或间接的关系。数据显示，45%的电子产品损坏是由于温度过高。可见散热设计的重要性。
    如何对产品进行热设计，首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础依。如何理解Datasheet的相关参数呢？下面将对Datasheet中常用的热参数逐一说明。
一、 Datasheet中和散热有关的几个重要参数
    P--芯片功耗，单位W（瓦）。功耗是热量产生的直接原因。功耗大的芯片，发热量也一定大。
    Tc--芯片壳体温度，单位℃。
    Tj--结点温度，单位℃。随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。结点温度过高将导致芯片工作不稳定，系统死机，最终芯片烧毁。
    Ta--环境温度，单位℃。
    Tstg--存储温度，单位℃。芯片的储存温度。
    Rja/θja--结点到环境的热阻，单位℃/W。
    Rjc/θjc--结点到芯片壳的热阻，单位℃/W
    Ψjt--可以理解为结点到芯片上表面的热阻。当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数。
    LFM--风速单位，英尺/分钟。

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提供最大Ta、Tj、P--早期的芯片Datasheet一般都是这种。理论上我们只需要保证芯片附近的环境温度不超过这个指标就可以保证芯片可以正常工作。但是实际并非如此。Ta这个参数是按照JEDEC标准测试而得。JEDEC标准是这样定义的：把芯片置于一块3X4.5英寸的4层PCB中间，环境温度测试探头距离这块PCB的板边缘12英寸。可见我们产品几乎不可能满足这种测试条件。因此，Ta在这里对我们来说，没什么意义。在这种情况下保守的做法是：保证芯片的壳体温度Tc﹤Ta-max，一般来说芯片是可以正常工作的。>br>
    直接提供Tc-max--这种情况相对较少，处理也相对简单。只需保证Tc﹤Tc-max即可。>br>
    提供Tj、Rjc/θjc、P--近2年来，随着热设计的重要性不断提高，大部分的芯片资料都会提供上述参数。基本公式如下：
    Tj=Tc+Rjc*P
    只要保证Tj﹤Tj-max即可保证芯片正常工作。
    归根结底，我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值，芯片就可以正常工作。

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如何判断芯片是否需要增加散热措施
    第一步：搜集芯片的散热参数。主要有：P、Rja、Rjc、Tj等
    第二步：计算Tc-max：Tc-max=Tj- Rjc*P
    第三步：计算要达到目标需要的Rca：Rca=（Tc-max-Ta）/P
    第四步：计算芯片本身的Rca’：Rca’=Rja-Rjc
         如果Rca大于 Rca’，说明不需要增加额外的散热措施。
         如果Rca小于Rca’，说明需要增加额外的散热措施。比如增加散热器、增加风扇等等。
    如前所述，Rja不能用于准确的计算芯片的温度，所以这种方法只能用于简单的判断。而不能用于最终的依据。下面举一个简单的例子：
   例：某芯片功耗——1.7W；Rja——53℃/W；Tj——125℃；Rjc——25℃/W，芯片工作的最大环境温度是50℃。判断该芯片是否需要加散热器，散热器热阻是多少。
    Tc-max=Tj- Rjc*P
          =125℃-25℃/W*1.7W
          =82.5℃
    Rca=（Tc-max-Ta）/P
          =（82.5-50）1.7
          =19.12℃/W
    Rca’=Rja-Rjc
          =53-25
          =28℃/W
    Rca小于Rca’，所以需要增加散热器。
    散热器的热阻假设为Rs，则有：
    Rs//Rca’小于Rca
    Rs*28/（Rs+28）小于19.12
    Rs小于60.29℃/W
    所以选用的散热器热阻必须小于60.29℃/W。

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上面仅是非常简单的例子，当然时间的情况要比这个复杂的多，需要通过仿真软件计算来分析和计算。
在普通的数字电路设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功耗也逐渐变大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔腾ＣＰＵ的功耗可达到 25W。当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时，就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。
    通常条件下，热量的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。
在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器表面，另一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。与电路计算中最基本的欧姆定律类似，散热的计算有一个最基本的公式：
                  温差 = 热阻 × 功耗
    在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的"阻力"称为热阻，散热器与空气之间"热流"的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在，在散热器和空气之间就产生了一定的温差，就像电流流过电阻会产生电压降一样。同样，散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻。热阻的单位为℃/W。选择散热器时，除了机械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。

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风冷散热原理
从热力学的角度来看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处，这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象。而热传递的方式有三种：辐射、对流、传导，其中以热传导为最快。我们要讨论的风冷散热，实际上就是强制对流散热。
    对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体，而这具有不同温度时所发生的热量转移过程。热源将热量以热传导方式传至导热导热介质，再由介质传至散热片基部，由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热空气，完成热的散热过程。
    对流换热即受导热规律的支配，又受流体流动规律的支配，属于一种复杂的传热过程，表现在对流换热的影响因素比较多。
1．按流体产生流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流。
2．按流动性质来区分，有层流和紊流之别。流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果。一般以雷诺数（Re）的大小，作为层流或紊流的判断依据。
3．流体的物性对对流换热的影响。例如，粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等，它们随流体不同而不同，随温度变化而变化，从而改变对流换热的效果。
4．换热表面的几何条件对对流换热的影响。其中包括：
1)管道中的进口、出口段的长度，形状以及流道本身的长度等；
2)物体表面的几何形状，尺寸大小等；
3)物体表面，如管道壁面、平板表面等的粗糙程度；
4)物体表面的位置（平放、侧放、垂直放置等）以及流动空间的大小。
5．流体物态改变的影响。
6．换热面的边界条件，如恒热流、恒壁温等，也会影响对流换热。
7.风量和温度的关系
T＝Ta＋1.76P／Q
式中
Ta－－环境温度，℃
P－－整机功率，W
Q－－风扇的风量，CFM
T－－机箱内的温度，℃

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举一个电路设计中热阻的计算的例子：
       设计要求： 芯片功耗： 20瓦
       芯片表面不能超过的最高温度： 85℃
       环境温度（最高）： 55℃
计算所需散热器的热阻。
实际散热器与芯片之间的热阻很小，取01℃/W作为近似。则
      （R + 0.1）× 20W = 85℃ - 55℃
        得到 R = 1.4 ℃/W
只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃。
    使用风扇能带走散热器表面大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例：
　风速（英尺/秒） 热阻（℃/W）
　　0 　　　　　　3.5
　　100 　　　　　　2.8
　　200　　　　　　　2.3
　　300 　　　　　　2.0
　　400 　　　　　　1.8

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PCB表面贴装电源器件的散热设计
  以Micrel公司表贴线性稳压器为例，介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作。
1.系统要求:
VOUT=5.0V；VIN(MAX)=9.0V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=700mA；运行周期=100%；TA=50℃
根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A-5.0BU稳压器，其参数为：
VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况)
TJ MAX=125℃。采用TO-263封装，θJC=3℃/W；
θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上)。
2.初步计算：
VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W
温度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃；热阻θJA(最坏情况):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W。
散热器的热阻, θSA=θJA-(θJC+θCS)；θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大)。
3.决定散热器物理尺寸：
采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔，并采用1.3米/秒的空气散热的方案相比较，后者的散热效果最好。
采用实线方案，保守设计需要5,000mm2的散热铜箔，即71mm×71mm(每边长2.8英寸)的正方形。
4.采用SO-8和SOT-223封装的散热要求：
在下面的条件下计算散热面积大小：VOUT=5.0V；VIN(MAX)=14V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=150mA；占空比=100%；TA=50℃。在允许的条件下，电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件。SO-8能满足这个要求吗？采用MIC2951-03BM(SO-8封装)，可以得到以下参数：
TJ MAX=125℃；θJC≈100℃/W。
5.计算采用SO-8封装的参数：
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W；
升高的温度=125℃-50℃=75℃；
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W；
θSA=51-100=-49℃/W(最大)。
显然，在没有致冷条件下，SO-8不能满足设计要求。考虑采用SOT-223封装的MIC5201-5.0BS调压器，该封装比SO-8小，但其三个引脚具有很好的散热效果。选用MIC5201-3.3BS，其相关参数如下：
TJ MAX=125℃
SOT-223的热阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的) 。
6.计算采用SOT-223封装的结果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W
上升温度=125℃-50℃=75℃；
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W；
θSA=54-15=39℃/W(最大)。根据以上的数据，参考图1，采用1,400 mm2的散热铜箔(边长1.5英寸的正方形)可以满足设计要求。
以上的设计结果可以作为粗略的参考，实际设计中需要了解电路板的热特性，得出更准确、满足实际设计的结果。

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散热器材料的选择：
散热片的制造材料是影响效能的重要因素，选择时必须加以注意！目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数：
　　金　　　　　　　　317 W/mK
　　银          　　　429 W/mK
　　铝          　　　401 W/mK
　　铁         　　　 237 W/mK
　　铜           　　　48 W/mK
   AA6061型铝合金　　 155 W/mK
   AA6063型铝合金     201 W/mK     
   ADC12型铝合金       96 W/mK
   AA1070型铝合金     226 W/mK
   AA1050型铝合金     209 W/mK
   热传导系数的单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率。
    热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用；铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作计算机空冷散热片。铜的热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件，在计算机相关散热片中使用较少，但近两年随着对散热设备性能要求的提高，越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，寄此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。
　　各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。上表中列出的5种不同铝合金中：AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。