工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計（五）(3)

　　5 最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　無論是國外還是國內(nèi)DC／DC電源線路的設(shè)計，就隔離方式來講都可歸結(jié)為兩種最基本的形式：前置啟動+前置PWM控制和后置隔離啟動+后置PWM控制。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖6和圖7所示。

　　國內(nèi)外DC／DC電源設(shè)計大多采用前置啟動+前置PWM控制方式，后級以開關(guān)形式將采樣比較的誤差信號通過光電耦合器件隔離傳輸?shù)角凹塒WM電路進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)整體DC／DC電源穩(wěn)壓控制。如圖6所示，前置啟動+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→輸出穩(wěn)壓。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等產(chǎn)品都屬于此種控制方式。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計主要集中在如下各部分：

　　（1）以集成電路U2為核心的采樣、比較電路的環(huán)路補償設(shè)計；

　?。?）以前置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補償設(shè)計；

　　（3）輸出濾波器設(shè)計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計時僅供參考；

　?。?）其它部分如功率管驅(qū)動、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計時可以不必考慮。

　　而如圖7所示，后置隔離啟動+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→隔離驅(qū)動→輸出穩(wěn)壓。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計主要集中在如下各部分：

　?。?）以后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補償設(shè)計；

　　（2）輸出濾波器設(shè)計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計時僅供參考。

　?。?）其它部分如隔離啟動、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計時可以不必考慮。

　　比較圖6和圖7控制方式和環(huán)路穩(wěn)定性補償設(shè)計可知，圖7后置隔離啟動+后置PWM控制方式的優(yōu)點如下：

　?。?）減少了后級采樣、比較、放大和光電耦合，控制環(huán)路簡捷；

　?。?）只需對后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器進(jìn)行環(huán)路補償設(shè)計，控制環(huán)路的響應(yīng)頻率較寬；

　?。?）相位裕度大；

　　（4）負(fù)載瞬態(tài)特性好；

　?。?）輸入瞬態(tài)特性好；

　　（6）抗輻照能力強。實驗證明光電耦合器件即使進(jìn)行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會大于2x104Rad（Si），不適合航天電源高可靠、長壽命的應(yīng)用要求。

　　6 結(jié)語

　　開關(guān)電源設(shè)計重點有兩點：一是磁路設(shè)計，重點解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩(wěn)定性設(shè)計，重點解決的是輸出電壓的品質(zhì)問題。開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計的好壞直接決定著開關(guān)電源啟動特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負(fù)載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。將上述開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計方法和結(jié)論應(yīng)用到開關(guān)電源的研發(fā)工作中去，定能事半功倍。

　　三、大功率開關(guān)電源散熱設(shè)計原理

　　1、散熱的原因

　　電子產(chǎn)品的芯片的高度集成，功能要求越來越多，體積要求越來越小。今天的元器件得以快速地向小型化。高功能。與高效率發(fā)展。高性能的元器件在高速度運行下會產(chǎn)生大量的熱，這些熱量必須立即去除以保證元器件能在正常工作溫度下以最高效率運行。因此熱傳導(dǎo)相關(guān)技術(shù)隨著電子工業(yè)的發(fā)展不斷地受到挑戰(zhàn)。

　　例如：電腦出現(xiàn)當(dāng)機現(xiàn)象、LED散熱不良會引起光衰等等、

　　2、散熱材料種類：

　　金、銀、鐵、銅、鋁、鋁合金、硅膠片、等

　　3、散熱原理

　　A 散熱器的散熱形式主要有輻射和對流兩種形式。

　　輻射換熱：熱能用輻射形式傳播，不需要借助任何介質(zhì)，可以在真空狀態(tài)下傳播，比如太陽的熱能經(jīng)過宇宙?zhèn)鞯降厍蛏稀?/span>

　　對流換熱：通過空氣或其他介質(zhì)傳播熱能，比如對流散熱器將空氣加熱?？諝鈱⒎块g內(nèi)一切物品加熱，對六器主要依靠空氣運動傳播熱能。

　　傳統(tǒng)意義上所稱的輻射散熱器，是指輻射散熱器在總散熱量中占相對份額的散熱器，目前通常最典型的輻射散熱器如鑄鐵、鋼制柱式散熱器、銅鋁復(fù)合散熱器等等，其中依靠輻射作用所傳播的熱能只占30%，另外70%熱能是以對流式傳播的。而對流散熱器是基本無輻射換熱（或極?。┑纳崞鳎绶鹑鸬裸~管對流散熱器，銅管對流散熱器利用熱空氣輕，向上流動的原理，空氣循環(huán)達(dá)到全房間的升溫，比輻射式的散熱器更加舒適、升溫更快。

　　B、 散熱的方式有 輻射散熱 傳導(dǎo)散熱 對流散熱 蒸發(fā)散熱

　　機體各組織器官產(chǎn)生的熱量，隨著血液循環(huán)均勻地分布于全身各部。當(dāng)血液流經(jīng)皮膚血管時，全部熱量的90%由皮膚散出，因此皮膚是人體散熱的主要部位。還有一小部分熱量，通過肺、腎和消化道等途徑，隨著呼吸、尿和糞便散出體外。

　?。ㄒ唬┥岬姆绞?mdash;—主要是物理方式

　　1.輻射 輻射是指機體以發(fā)射紅外線方式來散熱。當(dāng)皮膚溫高于環(huán)境溫度時，機體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環(huán)境溫度和機體有效輻射面積等因素有關(guān)。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當(dāng)然，如果環(huán)境溫度高于皮膚溫，機體就會吸收輻射熱。煉鋼工人在爐前作業(yè)，炎熱的夏季農(nóng)民在日照下田間勞動也會遇到這種情況。

　　2.傳導(dǎo)與對流 傳導(dǎo)就是機體通過傳遞分子動能的方式散發(fā)熱量。當(dāng)人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個原理。

　　C、 散熱器與環(huán)境的熱交換

　　當(dāng)熱量傳到散熱器的頂部后，就需要盡快地將傳來的熱量散發(fā)到周邊環(huán)境中去，對風(fēng)冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進(jìn)行熱交換。這時，熱量是在兩種不同介質(zhì)間傳遞，所依循的公式為Q=α X A X ΔT，其中ΔT為兩種介質(zhì)間的溫差，即散熱器與周圍環(huán)境空氣的溫度差；而α為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，在散熱片材質(zhì)和空氣成分確定后，它就是一個固定值；其中最重要的A是散熱片和空氣的接觸面積，在其他條件不變的前提下，如散熱器的體積一般都會有所限制，機箱內(nèi)的空間有限，過大會加大安裝的難度，而通過改變散熱器的形狀，增大其與空氣的接觸面積，增加熱交換面積，是提高散熱效率的有效手段。、要實現(xiàn)這一點，一般通過用鰭片式設(shè)計輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來增大表面積。

　　當(dāng)熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會急速上升，這時候，熱空氣應(yīng)該盡可能和周圍的冷空氣通過對流等熱交換方式來將熱量帶走，對風(fēng)冷散熱器來說，最主要的手段便是提高空氣流動的速度，使用風(fēng)扇來實現(xiàn)強制對流。這點主要和風(fēng)扇的設(shè)計和風(fēng)速有關(guān)，散熱器風(fēng)扇的效能（例如流量、風(fēng)壓）主要取決于風(fēng)扇扇葉直徑、軸向長度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和扇葉形狀。風(fēng)扇的流量大都采用 CFM為單位（英制，立方英尺/分鐘），一個CFM大約為0.028mm3/分鐘的流量。

　　純鋁散熱器

　　純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術(shù)，而評價一款純鋁散熱器的主要指標(biāo)是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，F(xiàn)in是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度（不含底座厚度）除以Fin，Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術(shù)越先進(jìn)。

　　純銅散熱器

　　銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質(zhì)地是個問題，很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100％的銅。在銅的列表中，含銅量超過99％的被稱為無酸素銅，下一個檔次的銅為含銅量為85％以下的丹銅。目前市場上大多數(shù)的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質(zhì)純銅散熱器的含銅量甚至連85％都不到，雖然成本很低，但其熱傳導(dǎo)能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點，成本高，加工難，散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機械加工（如剖溝等）性能不如鋁；銅的熔點比鋁高很多，不利于擠壓成形（ ExtrusiON ）等等問題。

　　雖然，目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金，鋁合金容易加工，成本低，是應(yīng)用最多的材料，而銅較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，使得其瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。因此，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個致命的缺陷：由于只使用一種材質(zhì)，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無法很好地均衡熱傳導(dǎo)能力和熱容量能力兩個方面的要求，在散熱要求較高的場合便未免有些力不從心了。

　　銅鋁結(jié)合技術(shù)

　　在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點后，目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當(dāng)然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。

　　熱量從CPU核心散發(fā)到散熱片表面，是一個熱傳導(dǎo)過程。對于散熱片的底座而言，由于直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導(dǎo)開來。散熱片選用較高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料對提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。通過熱傳導(dǎo)系統(tǒng)對照表可以看出，如鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)237W/mK，銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)則為401W/mK，而比較同樣體積的散熱器，銅的重量是鋁的3倍，而鋁的比熱僅為銅的2.3倍，所以相同體積下，銅質(zhì)散熱器可以比鋁質(zhì)散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。

　　不過，這兩種金屬的結(jié)合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產(chǎn)生較大的介面熱阻（即兩種金屬之間由于不充分接觸而產(chǎn)生的熱阻）。在實際設(shè)計和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚長避短，往往這也體現(xiàn)了廠商的設(shè)計能力與制造工藝。

　　4、導(dǎo)熱媒介-導(dǎo)熱硅膠。

　　a、什么是熱阻？

　　所謂“熱阻”（thermal resiSTance），是指反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。熱阻的概念與電阻非常類似，單位也與之相仿——℃/W，即物體持續(xù)傳熱功率為1W時，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。

　　b、空氣在自然界中的熱阻最大，其數(shù)值接近0.03W/mK；

　　c、填充發(fā)熱體和金屬散熱片之間的縫隙，減少空氣，使發(fā)熱體和散熱片呈現(xiàn)直接對流散熱。

　　d、導(dǎo)熱硅膠片也可以間接散熱，即裸露在外面、所以有散熱片的叫法。

　　5、散熱模組結(jié)構(gòu)

　　最后發(fā)熱體+導(dǎo)熱硅膠+散熱片，構(gòu)成了一個散熱設(shè)計的基本三明治結(jié)構(gòu)，在整過過程中，我們都在和空氣打交道，實際上空氣層成了我們散熱學(xué)上最大的挑戰(zhàn)，不管我們是增大散熱器的面積，還是添加導(dǎo)熱介質(zhì)，都是為了除去空氣層。