●高效率，高集成度，高功率密度是电源发展的主要方向，然而对付电源设计职员而言，功率器件跟全体电源系统的热设计，依然是非常有寻衅性的事情。
如：一台输出700W的全砖模块电源，纵然转换效率高达95%，然而依然有近37W的发热量须要处理，如果不仔细剖析打算，将会影响全体系统的MTBF与可靠性，严重时乃至可能烧毁功率器件。
高温对电源的影响
绝缘性能退化；元器件破坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落；器件之间的机器应力增大；
对开关电源的热剖析与打算的积极意义
能精确打算元器件的温升，为电源寿命打算供应依据通过对系统的整体温升剖析与打算，为器件的选型与降额设计供应依据通过对元器件热剖析与打算，为散热办法与散热器件的选择供应依据能有效掌握整体温升，降落元器件的早期失落效率，大大提升可靠性。
热设计的目标
●确保任何的元器件不超过它的最大事情节温
也便是说如何的掌握元器件的发热量，如果元器件的发热量得不到有效掌握，那么元器件将在几分钟乃至更短的韶光里失落效。
一样平常而言，温度升高电阻阻值降落；高温会降落电容器的利用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能低落；晶体三极管的电流放大倍数加大；MOSFET的漏源导通电阻增大。
方法：
a、优选掌握办法：软开关技能(QR,LLC,有源钳位），移相掌握技能，同步整流
b、选用低功耗的器件：CoolMOS,SiC diode,高磁导率的磁性材料等
c、根据运用的场合，做好元器件的降额设计
结温的推举值：
根据标准，任何情形下器件的结温不要超出以下值：
民用等级：Tjmax≤150℃ 工业等级：Tjmax≤135℃
军用等级：Tjmax≤125℃ 航天等级：Tjmax≤105℃
●在给定有限的空间和重量条件下，只管即便可能保持元器件良好的散热，使其在所处的事情环境条件下，不超过标准及规范所规定的最高温度。
这个目标便是提升系统的长期寿命跟可靠性。
有统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性低落10%元器件温升为50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6。而温升每超过10℃，电解电容的寿命就要低落一半。
方法：
a、优化PCB上元器件的布局，Layout
b、根据系统哀求，选用得当的散热办法：传导，辐射，对流
c、选用更好的散热器件加强散热：涂硅脂，导热硅胶垫，散热片氧化发黑
温升的推举值：
任何情形下，器件与全体电源内部环境以及外壳的温升不要超出60℃即 Δ T ≤ 60℃
热路与温度的打算
●热路实际上是欧姆定律的一个变形，可以与电路等效，在进行热路的剖析与打算式，可以参照电路，建立热路模型进行打算。
几个观点：
热阻：
电子器件耗散的热流在传输过程中(通过一定的介质)所碰着的阻力，是反响阻挡热量通报的能力的综合参量。
用Rθ 表示，单位是℃/W；其特性跟电阻类似，与介质材料的热导率，体积，密度，构造，表面历年夜小，颜色，几何尺寸与冷却条件等成分有关在热平衡之前，热阻是韶光的函数(热抗)，但热稳定之后，热阻跟韶光无关
Rθ = Δ T/ PD
个中
Rθ 是介质之间的热阻
Δ T是介质之间的温度差
PD是耗散的功率
●普通穿孔插件型封装器件的范例热阻
●表面贴片型封装器件的范例热阻
热流：
也称为热流密度或热流量，指两种介质由于温度的差异而形成的热量通报。用Q表示，单位是J/s(W),其特性类似于电流，总是从温度高的介质通报到温度低的介质，其大小正比于热阻即
Q ∝ (Δ T/Rθ )
注：固态散热器的热流是线性，而液态与气态散热的热流是非线性的
热容量：
是指一定质量的某种物质升高一定温度所需的热量,用C表示，单位为J/K，跟物质本身的比热容有关
比热容
CT=△E/（m △T）
△E为接管的热量；m是物体的质量；△T是吸热(放热)后温度所上升(低落)的值
热容量
C = CTm= △E/△T
●功率管与等效热电路模型
由于Rθ ca的值很大，对全体热电路的剖析影响很小,故可以忽略Rθ ja ≈ Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa
●贴片IC与等效热电路模型
由于Rθ ca的值很大，对全体热电路的剖析影响很小,故可以忽略Rθ ja ≈ Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa
●径向引线二极管与等效热电路模型
由于Rθ La的值很大，对全体热电路的剖析影响很小,故可以忽略Rθ ja ≈ Rθ jL + Rθ Ls + Rθ sa
●结温的打算：
从以上几个热电路可以看出，结温即是热路中温升之和再加上环境温度。
即 Tjmax=PD(Rθjc+Rθcs+Rθsa)+Ta
例：
某大功率工业电源的PFC电路，经打算IGBT的损耗为15W,升压二极管损耗为17W，两管同时装在一个散热器上；IGBT芯片到外壳的热阻为0.85℃/W，升压二极管到外壳的热阻为1.9℃/W，绝缘矽胶片与散热膏的总热阻为0.7℃/W，散热器的热阻为1.3℃/W；环境温度为60℃，求IGBT与二极管芯片的结温。
解：根据题意可以画出等效热电路（略）
对付IGBT,有 Tjmax1=(15+17)1.3+(0.85+0.7)15+60
=41.6+23.25+60
=124.85 ℃
对付Diode,有 Tjmax2=(15+17)1.3+(1.9+0.7)17+60
=41.6+44.2+60
=145.8 ℃
●散热片的打算：
a:散热片的尺寸：可以求出散热片的热阻，再根据厂商供应的散热片参数选择得当的散热片。
即 Rθsa=(Tjmax-Ta)/PD-(Rθjc+Rθcs)
例：
某军工电源，现经打算主功率MOSFET IRFP460的总损耗为7.6W, 装在散热器上自然冷却；经查手册， Rθjc为0.45℃/W，Rθcs为0.24℃/W，绝缘矽胶片与散热膏的总热阻为0.7℃/W，当环境温度为60℃时，哀求所有器件的结温不能超过125℃，求散热片的尺寸。
解：根据题意可以画出等效热电路（略）
对付MOSFET,有 Rθsa=(Tjmax -Ta )/PD-(Rθjc+Rθcs)
=(125-60)/7.6-(0.45+0.24+0.7)
=7.16 ℃ /W
然后参照散热片厂家的数据，结合电源构造哀求探求得当的散热器
b、散热器温度与耗散功率的打算：根据热电路可以得出散热器温度的打算公式
Ths=PDRθ sa+Ta
同样可以得出耗散功率的打算公式
PD=(Ths+Ta)/Rθ sa
●焊盘大小对散热的影响：
如下图是PCB上铜箔厚度为2OZ(约70um56.7g)焊盘面积与热阻的对应关系，由图可以看出，当散热焊盘面历年夜于0.2in2时，热阻对应约0.5℃/W,纵然再连续加大焊盘面积，但热阻基本不变，也便是说对散热不再有帮助，以是说散热焊盘的面积也不越大越好。
散热办法剖析与选择
开关电源中的发热量较大的元件
功率开关管：
开通损耗，导通损耗，关断损耗
整流二极管：
正引导通损耗，反向规复损耗
变压器、电感：
铁损，铜损
电容，功率电阻等无源元件：
欧姆热损耗
散热的常用办法与器件
常用的办法：
热传导，热辐射，热对流，蒸发散热
散热器件：
PCB铜箔，散热器（铜，铝，铁），风扇冷却，水冷，油冷，半导系统编制冷，热管
●传导散热：
具有温度差异的两个直接打仗的物体或物体内部个部分之间发生的热通报。实质是分子动能的相互通报。
个中：
P：通报的热流（功率）(W)
A：与热传输方向垂直的单元端面积(cm2)
L：热传输单元的长度(cm)
(T1-T2)：热传输单元两边的温度差(℃)
K：材料的导热率，量纲为W/(cm2•℃)
●辐射散热：
借助于电磁波(红外线)的形式将热量通报出去，不须要任何的介质，传播方向为直线，可以在真空中传播。例如太阳的热量通过热辐射到达地球。
根据史蒂芬 • 玻尔兹曼定律
P：通报的热流（功率）(W)
A：辐射表面的面积(cm2)
e：表面发射率，与辐射物体的表面
粗燥度以及颜色有关。
Ts:辐射表面温度(℃)
Ta：环境温度(℃)
●辐射换热的考虑原则
如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。由于此时辐射波长相称长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的接管体，发射率和接管率与物体表面的颜色无关。
对付强制风冷，由于散热表面的均匀温度较低，一样平常可忽略辐射换热的贡献。
如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。
好的热辐射器，同样是好的热接管器，以是该当避免太阳光的直射。
辐射换热面积打算时，如表面积不规则，应采取投影面积。即沿表面各部分绷紧绳子求得的便是这一投影面积，如图所示。辐射传热哀求辐射表面必须彼此可见。
●对流换热：
对流换热是指流体与其相打仗的流体或固体表面，而且具有不同温度时，所发生的热量转移过程。
对流换热的打算一样平常采取牛顿所提出的公式 ：
Φ =αA(T1－ T2) (W)
个中
A为与流体打仗的壁面面积(m^2)
α 为对流换热系数
T1为壁面温度(K)
T2为流体均匀温度(K)
从上面的公式可以看出，在热对流传递中，热量通报的数量跟热对流系数、有效打仗面积以及温度差成正比，热对流系数越大，有效打仗面积越大，温差越高，所能带走的热量就越多。
根据流体产生流动的缘故原由不同，分为自然对流与强制对流。
●自然对流：
热量通过热传导的办法教授与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来添补，添补过来的流体吸热膨胀向上，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量
风道设计技巧：
a：如果采取直齿构造散热片，则散热片必须垂直放置。
b：小型机壳电源一样平常是紊飘泊热，可以在散热底座下开小孔，以便在一定区域内增强散热效果。
c：大型机柜电源，不能有漏风口，要给风道留有一定的空间。
d：在散热器前端加入扰流片,引入紊流可显著的提高散热效果
●强制对流：
热源将热量以热传导办法传至导热介质，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。
风道的设计原则
风道尽可能短，缩短风道长度可以降落风道的阻力；
尽可能采取直线形风道设计，局部阻力小；
风道的截面尺寸最好和风扇的出口同等，以避免因变换截面而增加阻力丢失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；
进风口的构造设计只管即便使其对气流的阻力最小，还要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。
如果发热分布均匀， 元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源.
如果发热分布不屈均，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。
海拔高度对自然对流热设计的影响及办理对策
随着海拔高度的增加，空气的密度逐渐减小，空气上升的能力也就减少，自然对流换热的能力减弱。自然对流换热能力的变革终极表示在对流换热系数的变革上，根据美国斯坦伯格的履历公式，如果忽略空气温度的变革，可按下式打算海拔高度对自然对流的影响强弱。
hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5=hc(海平面) (p高空/p海平面)^0.5
hc(高空),hc(海平面)－分别为高空及海平面的自然对流换热系数，W/m.k
ρ高空，ρ海平面－分别为高空及海平面的空气密度，Kg/m3
p高空，p海平面－分别为高空及海平面的空气压力，帕斯卡
办理方法：
预先打算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小，通过增加相应的对流换热面积来填补高空换热能力的减弱，按下式打算：
F对流(高空)＝ F对流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)^0.5
海拔高度对强制对流热设计的影响及办理对策
由于随着海拔高度的增加，空气密度减小，质量流速减小，空气分子间碰撞的概率降落，对流换热能力减弱。同样，强制对流换热随海拔高度的变革终极表示在对流换热系数的变革上，美国军用标准规定，低于5000米以下的高空，如果忽略空气温度的变革，可按下式打算海拔高度对强制风冷换热影响的强弱。
层流：
hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)^0.5
湍流：
hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ ρ海平面)^0.8
hc(高空)，hc(海平面)－分别为高空及海平面的强制风冷对流换热系数，W/m.k
p高空，p海平面－分别为高空及海平面的空气压力，帕斯卡
办理方法：
增大面积法
预先打算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小，通过增加相应的对流换热面积来填补高空换热能力的减弱，按下式打算：
F对流(高空)＝ F对流(海平面)/(ρ 高空/ρ 海平面)^0.5
提高风扇的转速
RPM2/RPM1＝ ρ 海平面/ρ 高空
●散热器的表面积打算与选择
自然对飘泊热器的表面积，由下式来确定:
S=0.86W/(△Tα ) (m^2)
△T: 散热器温度与周围环境温度(△T)的差（℃）
α ：热传导系数，是由空气的物理性子及空气流速决定,由下式决定。
α =nuλ / L
λ :热电导率（kcal/m2h）空气物理性子
L:散热器高度（m）
nu:空气流速系数。由下式决定:
V1——动黏性系数，是空气的物理性子；
V2——散热器表面的空气流速(m/sec)；
pr系数见下表:
●直齿间距对散热片自然对飘泊热的影响
描述流体与固体间对流传热的基本方程式为：
Q=hAΔT
可以看出，通过提高传热系数h，增大传热面积来强化流体与散热片表面间的对流传热效果。当基面宽度W给定时，假定传热温差ΔT，传热系数h不变，这样散热量Q的提高就取决于换热面积A的大小。增加散热片数量就可以增加换热面积，有利于散热。但散热片数目的增多，减小了散热片间的间隔S，传热系数h也随之降落。
●高度、长度对散热片自然对飘泊热的影响：
提高散热片的高度H或增加长度可以增加换热面积A，从而达到强化传热的目的。但增加高度会使散热片顶部的局部传热系数降落，增加长度会使散热边缘传热系数降落，导致均匀传热系数的降落。
此外，高度也影响着从散热片基面到端部的温度降。高度越大，温度降也越大，同理长度会影响到散热片中部到边缘的温度降，导致散热片表面与周围大气的均匀温度差就随之降落，不利于散热。
实际上，散热片的高度还将受到整机外型尺寸的限定。
●厚度对散热片自然对飘泊热的影响：
散热片越薄，则单位长度上可装载的散热片的数量就越多，从而增大散热面积，强化散热片的散热；随着散热片厚度的增大，散热片表面与周围大气的均匀换热温度差ΔT就随之降落，这对付散热是不利的。
在实际的运用中，厚度δ的大小每每受工艺水平高低所限。一样平常铸造散热片的厚度δ不小于2 mm，机加工散热片的厚度δ不小于1 mm。
●体积对散热片自然对飘泊热的影响：
散热体积增大，在合理的直齿间距条件下，可以增大散热的面积，强化散热片的散热效果；随着散热片体积的增大，相应的高度、长度、厚度，这对付散热是有利的。
但体积会受到外型构造尺寸的限定，而且增大体积须要增加本钱。
●散热器冷却办法的判据
对透风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采取自然风冷。大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采取强制风冷。
对透风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采取自然风冷。大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采取强制风冷。
●根据散热器冷却办法选择散热器：
按照散热器的事情条件(自然冷却或强制风冷)，根据Rsa 或ΔTsa 和Pc 选择散热器，查所选散热器的散热曲线(Rsa 曲线或ΔTsa 线)，曲线上查出的值小于打算值时，就找到了得当的热阻散热器及其对应的风速，根据风速流经散热器截面核算流量，及根据散热器流阻曲线上风速对应的阻力压降，选择知足流量和压力事情点的风扇。
●散热器选择把稳事变：
①一样平常来说，能知足散热哀求的散热器不止一种，该当根据器件与散热器的安装尺寸和为散热器余留的空间尺寸决定散热器的类型：单肋，双肋或异型。对付自冷散热器，如果条件容许的话，采取双肋散热器，散热效率比较高。
②尽可能单个器件或模块配单独的散热器，这样散热效率高，总用铝量少，而且可以降落本钱。
③尽可能采取长度和宽度附近的散热器，这样热效率高，避免采取“狭长”的散热器，即肋片的长向比宽向大很多；这样的散热器散热效率低下。
④当采取肋片密度很大的密齿类散热器时，必须逼迫风冷，而且肋片的方向要与风道同等，否则散热效果极差，散热效率极低。这类散热器在有效风冷条件下，有很高的散热效率。
⑤整机设计中器件散热器的选择，应根据器件在整机中事情的实际冷却条件(冷却介质温度和流量)和稳、瞬态负载情形，并适当考虑安全系数应有的余量，按稳态不超过最高事情结温并留有一定裕量来选取。
●散热器的紧固与安装：
① 螺丝紧固散热片：这种方法由于安装或拆卸快速、简便，以是被广泛利用。在该安装方法中，确定得当的紧固螺丝扭矩是非常主要。如扭矩小了，热打仗电阻就会因打仗压力不敷造成热打仗不良而增加。当扭矩大了，则会产生变形，造成热打仗不良和增大热阻。
② 散热器要跟功率器件保持好良好的绝缘，一样平常利用云母片，矽胶片，绝缘橡胶等，在哀求较高的场合可以利用软性导热硅胶垫。
③ 散热器表面不会是空想的平滑面，以是跟功率器件的打仗面会存在一些空隙，空隙中添补的是空气，而空气的热阻较大，以是须要在打仗面涂覆一层导热硅脂，以减少外壳到散热片的热阻。硅脂层越薄越好。
④ 功率器件只管即便安装在散热器的中部，这样可以让散热片均匀散热。
风扇的打算与选择
打算流经散热器阻力压降：
式中
ΔP--沿程压力丢失，Pa；
V--空气均匀流速，m/s； f--沿程阻力系数；
ρ--空气密度，kg/m3； L--沿程长度，m；
D--当量直径，m。
（D=4散热器截面面积/截面周长）
打算流经散热器流量
Q = AV
式中Q---流量
A--风量流经散热器截面积
V---风量流经散热器风速
风量和温度的关系：
T＝Ta＋1.76P／Q
式中Ta－－环境温度，℃
P－－整机功率损耗，W
Q－－风扇的风量，CFM
T－－机箱内的温度，℃
●风扇选择：
选择风扇时，也要把稳把握以下几个原则：
①在功率许可的情形下，尽可能选择风量较大的风扇，与风量有关的成分包括风扇的大小，转速等。 如右图，风扇的转速跟热阻成反比。
②风扇的送风形式对散热效果也有较大的影响，鼓风时产生的是紊流，风压大但随意马虎受到阻力丢失；抽风时产生的是层流，风压小但气流稳定。
理论上说，紊流的换热效率比层流大得多，但是气流的运动与散热片也有直接关系。在某些散热片设计中（比如过于紧密的鳍片），气流受散热片阻碍非常大，此时采取抽风可能会有更好的效果。因而在选用时要把稳。
③风扇的噪音，寿命，外型构造是非常主要的指标，关系到整机设计的寿命与可靠性，故选择风扇时要根据实际的利用场合加以综合考虑。
④风扇的分类与特点:
含油轴承、单滚珠轴承、双滚珠轴承、来福轴承、Hypro轴承、液压轴承、纳米陶瓷轴承 、磁悬浮轴承其特性如下表所示：
⑤风扇的安装也要把稳
a：进出风口的位置
b：风道的设计
c：风扇要跟散热器保持一定间隔，理论为一个风扇Hub的直径。
d：一定要将风扇固定好，且要加装隔离栅，防止外部较大颗粒的异物进入并将风扇堵转。
散热设计的一样平常原则与步骤
●热设计的一样平常原则
① 从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的间隔一样平常不应小于20mm。
② 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(如小旗子暗记晶体管、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)放在冷却气流最下贱。
③ 在水平方向上,大功率器件只管即便靠近印制板边沿支配,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件只管即便靠近印制板上方支配,以便减少这些器件事情时对其它器件温度的影响。
④ 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。
⑤ 设备内印制板的散热紧张依赖空气流动,以是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,以是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把稳同样的问题。
●热设计的实际步骤：
①剖析电源电路的布局构造，确定紧张发热单元；根据电路理论中的干系公式，求得各发热单元的理论损耗值。
②剖析电源电路对应的热路，确定传热点路，绘出等效的热模型。根据热设计理论，打算各个元器件的热阻值；根据热路图建立热平衡方程式，剖析温度场分布特性，解出各节点的温度值；根据热路模型与电气模型的对应关系，确立电气模型。
③建立该电路的3D热模型。利用专业热仿真软件(如Flotherm、ANSYS等)，根据流体力学和数值传热学事理，采取有限元体积法，对建立的模型进行数值打算；根据打算结果，得出最佳方案。
④分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计。
⑤模型或样机试验剖析。通过对模型或样机测试丈量，考验理论打算与试验结果的偏差程度。
⑥除了热设计，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性的协同设计，知足相应的标准与哀求。
热设计仿真先容
●仿真的意义
①可以加快设计开拓的周期
②可以降落设计与生产的用度
③可以减少产品调试的次数，为调试优化指明方向，减低失落败的风险性
④可以大大的提高产品性能的可靠性
●热设计仿真的浸染
①对元器件的温升做出优化打算，从而对器件的选型与降额设计供应数据支持
②对全体电源系统的各个发热点进行剖析打算，对发热器件的布局，散热器件的选型，风道设计供应依据
③对采取的各种散热办法进行仿照的打算优化，最大限度的提高散热效率
④但软件只是工具，要得到精确的值须要精准的模型，还要丰富的履历与理论水平
●热设计仿真软件先容
Flotherm、I-deas、Ice-pack霸占大部分的市场份额，还有Tas－Harvard thermal、Cool it、Betasoft等软件。
总结
热设计的等效热电路打算，实在质便是功耗，温升，热阻三者的关系打算，可以用电路中的欧姆定理去理解。
几种散热办法各自的优缺陷，根据热点路的打算结果选择紧张的散热办法，选用得当的散热器件。
在实际的热设计中。热传输是一个非常繁芜的过程，要进行非常精确的打算将是十分困难的，在实际工程运用中，偏差能掌握在5-10℃已经非常不随意马虎了。
要想得到较精确的值，必须依赖科学的仿真技能跟实际测试相结合，建立精准的热电路模型，再进行繁芜的打算。
