电源管理散热方法大汇总

电气工程师提到“电源管理”这个词时,大多数人会想到MOS管、转换器、变压器等。其实,电源管理远不止这些。


电源工作时会发热,持续的温升会引起性能的变化,最终可能导致系统故障;另外,热量也会缩短组件寿命,影响长期可靠性。因此,电源管理也涉及热管理。




关于热管理,有两个观点有必要了解一下


  1. “微观”问题:单个组件由于发热过多而过热,但系统的其余部分及外壳温度在限制范围内;
  2. “宏观”问题:由于多个热源的热量累积导致整个系统温度过高。


工程师需要确定热管理问题有多少属于微观,多少属于宏观,以及两者间的关联程度。简单理解就是,一个发热组件,即便温升超过了其允许的极限导致整个系统升温,不一定意味着整个系统过热,但该组件产生的多余热量必须散出去。

那么热量要散去哪?散到较冷的地方,可以是系统和机箱的相邻部分,也可以是机箱外部(仅当外部比内部温度低时才有可能)。


热管理解决方案

热管理遵循物理学基本原理,热传导有三种方式:辐射、传导和对流。对于大多数电子系统来说,实现所需的冷却是先以传导的方式让热量离开发热源,然后再以对流的方式将其传递到其他地方。


进行热设计时需要将各种热管理硬件结合起来,以有效地实现所需的传导和对流。最常用的散热元件有三个:散热器、热管和风扇。散热器和热管是无需电源的无源冷却系统,而风扇是一种有源的强制风冷系统。


散热器

散热器是铝或铜结构,可通过传导作用从热源获取热量,并将热量传到气流(在某些情况下,传到水或其他液体)中以实现对流。


各种类型的散热器


散热器有数千种尺寸规格和形状,从连接单个晶体管的小型冲压金属翅片到具有许多可以拦截对流空气流并将热量传输到该气流的翅片(指形)的大型挤压件。散热器具有没有移动部件、运行成本、故障模式等优势。一旦散热器连接到热源,随着暖空气上升,对流就会自然而然地发生,从而开始并持续形成气流。


尽管散热器易于使用,但也存在一些弊端:


  1. 传输大热量的散热器体积大、成本高、重量大,且必须正确放置,会影响或限制电路板的物理布局; 
  2. 翅片可能被气流中的灰尘堵塞,降低效率;
  3. 必须正确连接到热源上,才能使热量畅通地从热源流向散热器。


热管

它是热管理套件的另一个重要器件,不需要任何形式的主动强制机制就可以将热量从 A 点传送到 B 点包含烧结芯和工作流体的密封金属管,本身不作为散热器,作用是从热源吸收热量并将其传送到较冷的区域。当热源附近没有足够的空间放置散热器或气流不足时便可以使用热管。


热管工作效率高,可以将热量从源头传送到更便于管理的地方。其工作原理简单而巧妙:


热源在密封管内将工作流体转变成蒸汽,而蒸汽带着热量传递到热管的较冷端。在这一端,蒸气冷凝成液体并释放出热量,而流体再返回到较热端。这种气-液形态转变过程是连续运行的,且仅由冷端和热端的温度差驱动。在冷端连接散热器或其他冷却装置可以解决气流受阻的局部热点的散热问题。


风扇

它是抛开无源散热器和热管,走向强制风冷的有源散热装置的第一步,但风扇也有让人头痛的地方:


  1. 增加成本,需要空间,增加了系统噪音;
  2. 容易发生故障,消耗能量并影响整个系统的效率。



但在很多情况下,尤其是当气流路径弯曲、垂直或不畅通时,它们通常是获得足够气流的唯一途径。定义风扇能力的关键参数是每分钟空气的单位长度或单位体积流量。不过物理尺寸是一个问题:低转速大风扇可以产生与高转速小风扇相同的气流,因此存在尺寸与速度的取舍平衡。


建模及综合仿真

单独的无源系统尺寸较大,但更可靠高效,而风扇可以在不能单独使用无源冷却的情况下发挥作用到底选哪种系统进行散热,往往是一个困难的决定。这时候需要通过建模和仿真来确定需要多少冷气以及如何实现冷却,它对高效热管理策略至关重要。

对于微型模型来说,热源及其热量流通路径的特征在于它们的热阻,而热阻由其使用的材料、质量和尺寸决定。建模显示热量如何从热源流出,也是评估因自身散热而导致热事故组件的第一步。例如高散热 IC、MOSFET 和IGBT等器件供应商通常会提供热模型,这些模型能够提供从热源到器件表面的热路径细节。


一旦各组件的热负载已知,下一步就是宏观层面建模,这既简单又复杂:通过各种热源的气流调整大小以将其温度保持在允许的限值以下;使用空气温度、非强制气流可用流量、风扇气流量和其他因素进行基本计算大致了解温度状况。



接下来就是使用各热源的模型及位置、PC 板、外壳表面和其他因素,对整个产品及其封装进行更复杂的建模。


最后,建模还要解决两个问题:


  1. 峰值与平均耗散的问题。例如热耗散持续为 1W 的稳态组件与热耗散 10W 但具有10%间歇占空比的器件具有不同的热影响。也就是说平均热耗散相同,相关的热质量和热流量会产生不同的热分布。大多数 CFD 应用程序可以将静态与动态结合起来进行分析。
  2. 组件及微型模型表面间物理连接的不完善性,例如 IC 封装顶部与散热器之间的物理连接。如果连接有微小的间距,这条路径的热阻就会增加,需要在接触之面填充导热垫片增强路径的导热性。




热管理可降低电源中元件及内部环境的温度,可延长产品使用寿命,提高可靠性。但热管理是一个整合的概念,如果分解到细枝末节,是一个庞大的课题。它涉及尺寸、功率、效率、重量、可靠性以及成本等方面的权衡,必须对项目的优先级和约束条件进行评估。



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