以博大电源模块为例详解模块电源散热

　　电源模块在运行过程中，由于模块内部将产生功率消耗，而且以热量的形式产生，若不将这些热量发散出去，将会聚积在模块内部，使得温度过高，进而可能促使功率器件超过额定的温度极限;轻则缩短模块电源使用寿命，重则损坏模块。所以散热设计对于电源模块来说至关重要。一般额定操作温度的定义，均是以外壳温度或指定之热点为温度量测基准，如下图的红点所示。

　　外壳温度量测点指定热点量测

　　

 

　　

 

　　使用在具有散热外壳型式的模块

　　，通常定义为外壳的中心点使用在Open Frame型式模块，

　　通常定义为温度最高的零件表面

　　以将基准温度降低至额定范围内为散热设计之目标。一般而言，电源模块最大可操作的外壳温度极限，依不同设计，多设定在100℃~110℃左右。

　　1、外壳温度估算

　　在一般应用中，通常采用实际测量来得出实际外壳温度。但在部份情况下，实际测量无法实现;此时则可通过估算的方式得出大概的外壳温度。

　　下面就通过博大科技电源模块的实际范例，介绍电源模块外壳温度估算的步骤，以避免模块工作超过最高外壳工作温度。

　　估算步骤如下：

　　STEP 1 --- 确定电源模块最大的操作环境温度(Ta)

　　STEP 2 --- 估算最大输出功率(Po)

　　估算实际应用时，所需的最大输出功率Po。如果是多路输出，则指多路输出的总输出功率。计算方程式为

　　

 

　　STEP 3 --- 确定转换效率(η)

　　一般模块只提供额定输入电压在满负载输出功率及25℃环境温度下的效率值，实际上在不同的负载情况或输入电压时，以及不同的操作环境温度，效率会发生一些改变，博大科技电源模块在规格书内都已提供上述的效率曲线图，可依照实际的条件，查询转换效率。

　　STEP 4 --- 确定外壳对环境的热阻(θca)

　　热阻定义为单位消耗功率所产生的上升温度，通常以℃/W表示。

　　STEP 5 --- 估算电源模块本身所产生之消耗功率(Pd)。

　　方程式如下：

　　

 

　　STEP 6 --- 估算电源模块外壳的工作温度(Tc)。

　　方程式如下：

　　

 

　　STEP 7 --- 确认上述外壳工作温度应在最高工作温度以下。

　　实例详解

　　以博大科技40W电源模块 FEC40-48S05(输出电压：5V,满载电流：8.0A)为例为大家介绍一下如何估算电源模块外壳温度。

　　假设实际操作条件如下：

　　-- 最大操作环境温度(Ta)为50℃

　　-- 输入电压(Vin)为48V时

　　-- 输出电压(Vout)为5V时

　　-- 实际负载电流(Iout)为6.4A。(6.4A / 8.0A = 80%满负载)

　　-- 实际输出功率(Po)为5Vout * 6.4A = 32W

　　依规格书所提供的输出负载及输入电压对效率的曲线图可查出，在Vin=48V，Iout=80%满负载时的转换效率η=92%

　　

 

　　由规格书中可以查询到，在不加散热片及无强制气流的情况下

　　θca = 9.2 (℃/W)

　　

 

　　计算电源模块之消耗功率：

　　

 

　　计算电源模块外壳温度：

　　

 

　　结论：

　　在此操作条件下，外壳温度(Tc)约为75.6℃，低于额定温度100℃，故符合工作温度和设计使用要求。

　　2、散热设计

　　如果上述的估算已经超过外壳最大工作温度，则必须增加散热的设计。

　　由估算外殻温度的方程式

　　

 

　　可知，Ta及Pd是系统操作时的条件，可视为定值，故要降低外壳温度，需要由降低外壳到环境的热阻(θca)着手，θca也是散热设计中最重要的因子。

　　在博大科技电源产品的规格书内，都有提供在多种散热条件下，模块到环境的热阻值。这个热阻值是在恒温、恒湿及可控风速的标准实验设备里直接测得，非常具有参考价值。具体标准测量方法如下图：

　　

 

　　3、散热方法

　　在系统没有任何散热设计的情况下，应该确保顶部和底部保留足够的气流信道，使模块在运作产生热能时，与环境空气因温度差而产生自然对流冷却。

　　在气流信道不完善的情况下，导致模块壳温过高时，可以通过以下的方式，做为散热设计。

　　□ 增加散热片

　　散热片的主要作用，是增加热源对环境空气之间的接触面积，在有适当空气对流的情况下(包含自然对流)，可明显的降低热阻θca。

　　散热片与电源模块外壳在直接接合时，因为外壳与散热片都是坚硬的材质，并无法确保完全密合平整，多少会产生一些缝隙，这将会增加热阻;所以电源模块在组配散热片时需使用导热的表面材料，如导热硅脂(Thermal compound)、导热硅胶片(Thermal Pad)等，来确保外壳与散热片的紧密结合及减少缝隙;组装结构示意图如下所示。

　　

 

　　组配后的热阻θca为θcp、θph、θha的总和;因为空气在不流动的情况下热阻极大，故与空气接触的θha为最主要的热阻。

　　使用散热片可以大幅度降低θha的方式，但若θcp、θph不佳，也会影响到总热阻θca，这也是为什么需要使用具有良好导热性及填缝效果之Thermal Pad的原因。

　　最好的散热片摆放方式，是散热片的鳍片上下垂直于空气中，形成良好的”烟囱效应”，如此才能拥有最好的自然对流效果;在无强制气流辅助散热的情况下，尤其重要。

　　博大科技原厂可以提供不同热阻、样式的散热片，具体情况可以咨询博大科技电源产品代理商深圳市中电华星电子技术有限公司。

　　□ 强制气流

　　一般使用风扇来产生强制气流，藉由空气快速的流动，将热能量由外壳表面带走，这是减少模块热阻θca的有效方法，尤其在开放式的模块(Open Frame Module)中，常使用此方式散热;气流的定义通常采用线性英尺每分钟(LFM)或立方英尺每分钟(CFM)(CFM = LFM * Area);以LFM为主。

　　风速愈大，热阻愈小，则散热效果愈佳;使用时需留意风向避免与模块脚框(frame)垂直，这样会降低散热效果。

　　若系统中同时使用散热片及强制气流，则气流与散热片方向的搭配方式，应如左下图所示，方可得到最佳的散热效果;而如右下图所示的方式是错误的，气流不顺畅，散热效果不佳。

　　

 

　　

 

　　正确的搭配方式错误的搭配方式

　　博大科技公司电源模块都可以提供各模块对应各风速的热阻。具体情况可以咨询博大科技电源代理商深圳中电华星电子技术有限公司。

　　□ 电源模块与机架外壳连接

　　使用电源模块之系统，若系统设计有金属外壳(chassis)或机架，则可利用此机架外壳当成散热片，将热能量疏导到机架外壳上;但需留意机架外壳与模块之间是否密合，密合程度愈高，则导热及散热效果愈好;若机架外壳表面不甚平整，则必要时可选择较厚或较柔软的导热硅胶片，将接合缝隙填满，产生最佳的组配结合。

　　

 

　　依照中电华星多年来对模块电源的研究和使用经验，最后需要强调两点：

　　一是如果模块要求的最高壳温不能超过某个温度值，那么模块最安全、最稳定、最高效的运行壳温应为该温度值的70%或以下，例如一个模块标称的最高壳温为100℃，那么经过冷却设计最好的运行壳温应为70℃。

　　二是以上计算只能作为设计参考，系统设计好后一定要在实际应用中模拟最高环境温度下，实测模块外壳的温度，以确定不超过最高工作外壳温度。