散熱應考慮的問題：確保第二代高密度DC-DC轉換器模塊性能

由于按標準尺寸生產的第二代DC-DC轉換器模塊具有更大的功率密度，為保證給負載提供足夠的功率，必需采取適當的施措進行熱量管理。在熱量管理中，效率不僅是應考慮的項目，而且是重要參數。當設計或選用電源時，應正確估量變換過程中產生的熱量即。

圖1 Vicor DC-DC轉換器模塊V300A48C50OA的效率與輸入電壓和輸出電流的關系


所有電源產品都注明最高工作溫度，其可靠性和工作壽命都與工作溫度成反比。一臺耐用電源的設計，要求在任何工作狀態(tài)下，不僅不能超過溫度極限，并且應留有足夠的余量。這就要求認真計算電源中產生的熱量并通過實驗驗證，然后根據負載和工作環(huán)境的要求，選擇更有效的熱量管理方法。

散熱設計
確定在最壞情況下的功耗
利用下式可以計算出轉換器在整個工作范圍內輸出最大負載電流時的效率。變換效率定義如下：
n=Po/Pin      (1)
式中，Po為輸出功率；Pin為輸入功率。
電源模塊通常都給出其典型效率值，但是給出的數值不可能適用于所有工作狀態(tài)。通常，還會給出效率與其它規(guī)定參數的關系曲線。Vicor  DC-DC轉換器模塊V300A48C500A (額定輸入電壓為300Vdc、直流輸出電壓為48Vdc，在室溫下輸出功率為500W)效率與輸出電流和輸入電壓的關系，如圖1所示。
從圖1可出看出，在大部分工作范圍內，效率曲線非常平坦，通常DC-DC轉換器只提供規(guī)定電源電壓和負載時的效率。但是轉換器通常不會僅僅工作于這一點，為了正確進行散熱設什，必須認真分析完整的效率曲線。最佳散熱設計應當根據最壞工作條件下，預期工作溫度范圍內的效率計算出最大功耗。
另外，還可以看出，在大部分輸出電流范圍內，當輸入額定電壓時，轉換器的效率為89％。在我們的設計實例中，將該效率作為最壞情況下的效率。如果該轉換器模塊滿載工作(Po=500W)，產生熱量的功耗為：
Pd＝Po/n-Po    (2)
由此式可得出,Pd＝61.8W
確定該功耗引起的轉換器模塊底板的溫升
所有廠家均給出轉換器模塊的熱參數，以上述Vicor型號為例，從底板測試的最高承受工作溫度是100℃(Tb)。在空氣中的熱阻(Θ)值為4.9℃/W，因此，轉換器模塊在自然環(huán)境中的溫升可簡化為：
Tr＝Pd ×Θ=302.8℃   (3)
在這種情況下，考慮到最高溫升，轉換器模塊不可能在無強制通風的條件下滿載工作，即使模塊的效率為92％，模塊在自然環(huán)境中的溫升也將高達213℃，遠遠超過模塊底板所能承受的最高溫度。高效率仍不能解決該系統(tǒng)的工作問題，為此，應用中，底板必須加裝散熱器或者采取減小底板熱阻的措施。
確定熱阻
為了選用適當的散熱器，得到底板允許的溫升，必須選取使底板溫升維持在規(guī)定范圍以內所需的熱阻，確定最高底板溫度與預期環(huán)境溫度之差。
如果最高環(huán)境溫度55℃，該Vicor模塊的允許溫升即45℃(100℃-55℃)，所需的熱阻允許溫升除以最大功耗Pd，即
Θmax＝Tr (aIlowed)/Pd   (4)
在該實例中，計算出的熱阻0.73℃/W為允許的最大熱阻。這樣，在最高環(huán)境溫度下，模塊可在規(guī)定的最高溫度下滿載工作。應當說明，該熱阻是系統(tǒng)中所有接觸面熱阻之和。由此可知，選擇合適的熱接觸面材料對減小熱阻是非常重要的。在任何情況下，接觸面的熱阻越小，散熱性能越好。Vicor可提供ThermMate變相(Phase Change)材料，該材料與干式熱墊片相比，接觸熱阻可減少到十分之一。
在可能發(fā)生的任何情況下，采用適當的措施，最大熱阻應有0.75降額系數。根據降額系數，可以得到更小的熱阻0.547℃/W。利用以下任意一種散熱方法，都可獲得如此小的熱阻：
?自然對流散熱：將熱能傳輸到自然空氣流中；
?強制對流散熱：將熱能傳輸到移動的空氣流中；
?傳導散熱：熱量通過固體介質傳遞。
不管散熱器或者安裝模塊的導熱表面形狀如何，只要散熱表面積較大，就很容易實現空氣自然對流散熱。許多電源模塊生產廠家都將散熱器作為電源模塊的組成部分提供給用戶。在某些實際應用中，為了使電源模塊的溫度保持在極限值以內，必須采用強制空氣對流散熱。某些電源模塊生產廠家，也把散熱器作為電源模塊的附件供給用戶，此外，散熱器生產廠家還可根據用戶提供的技術要求定制專用的散熱器。采用傳導散熱器時，電源模塊產生的熱量都通過固體熱傳導介質傳送到周圍的空氣中。

熱流通路的考慮
在電源模塊內，開關組件產生的熱量都傳導到模塊的底板上，然后再通過熱接觸表面材料傳導到外殼內的金屬板上，金屬板又通過傳導方式將熱量散發(fā)到周圍的空氣中。對于傳導散熱來說，電源模塊裝在密封的NEMA外殼中是理想的方法，模塊內部產生的熱量可以先傳輸到外殼上，然后再散發(fā)到周圍的空氣中。采用傳導散熱時，用戶必須保證電源模塊的參數在極限值以內。因為電源模塊的安裝表面不能有效地散熱。為了改善散熱條件，用戶還必須采用一系列的折衷方案。某些易變的參數必須留有一定的余量，還應當考慮系統(tǒng)內部電源模塊放置方向和氣流方向。
無論利用何種散熱方法都建議采用保守的設計方法。散熱系統(tǒng)工作狀態(tài)還必須通過直接測試溫度來驗證。通風障礙、渦流和安裝位置不當都會阻礙空氣流通，從而導致散熱能力明顯減小。

對體積的考慮
在某些應用中，對電源的體積無嚴格要求時，可以加入熱阻更低的的散熱器。對于帶有特殊熱接觸表面材料的模塊在可利用的空間內，簡單選擇散熱面積較大的散熱器和其它附件，即可保證模塊可靠工作，但是更常見的情況，電源模塊可利用的空間很小，在許多通信設備中，在較大的框架上，許多印刷電路板緊密地排列在一起。印刷電路板之間的空間通常稱作“間距”。為了充分利用有效空間，更多的印刷電路板將裝入給定的空間內，這將使印刷電路板上組件的高度受到嚴格限制，常用的散熱器很難滿足模塊高度的要求，為了減小印刷電路板上電源模塊的高度，電源模塊可以加裝熱特性適當且較薄的邊緣葉片散熱器。
適用于標準型、小型和微型電源模塊的邊緣葉片散熱器的產品編號分別為：20394、20393和20392。該散熱器將葉片移到模塊的兩側，只比模塊底板高出0.125英寸?？拷∷㈦娐钒宓娜~片端頭可方便形成通風道，強制空氣流可流過該通風道。從而提高散熱效果。