線性直流電源的熱設(shè)計是什么，該如何去操作

在調(diào)試或維修線性直流電源電路時，我們經(jīng)常說“ **燒毀”。 **可以是電阻，保險絲或芯片。很少有人會探究這個詞的用法。為什么用“燒了”代替“壞”?原因是在線性直流電源產(chǎn)品中，熱故障是最常見的故障模式，它轉(zhuǎn)換為電流過載，局部空間中的短期大電流。有了熱量，不容易消散熱量，局部溫度急劇上升。同樣，如果溫度過高，導(dǎo)電銅皮，電線和設(shè)備本身也會燒壞。因此，大多數(shù)電氣故障是熱故障。

其次，如果假定電流過載嚴(yán)重，但組件的散熱良好，并且可以將溫升控制在很低的范圍內(nèi)，那么設(shè)備會發(fā)生故障嗎?答案是肯定的。如果要提高線性直流電源產(chǎn)品的可靠性，另一方面，可以提高設(shè)備和組件的耐高溫特性，并承受更大的熱應(yīng)力(環(huán)境溫度或過載等)。它增強了散熱能力，散發(fā)了環(huán)境溫度和過載帶來的所有熱量，并提高了產(chǎn)品可靠性。下面介紹傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法。

我們的線性直流電源中常用的是散熱器和風(fēng)扇散熱方法。散熱程度可能不足，或者散熱可能過多。最佳嗎?它可以基于熱流。密度用于評估，熱流密度=熱量/熱通道面積。根據(jù)《GJB/Z27-92 線性直流電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》(參見圖1)，根據(jù)可接受的溫升要求和計算出的熱通量密度，可以獲得可接受的散熱方法。例如，溫度上升為40°C(垂直軸)，熱通量密度為0.04 W/cm2(水平軸)。找到如下所示的交點，然后進入自然冷卻區(qū)，自然對流和輻射可以滿足設(shè)計要求。

大多數(shù)散熱設(shè)計都適用于上表，因為散熱基本上是由于表面散熱造成的。但是，對于密封設(shè)備，必須使用體積功率密度來估算熱功率密度=熱/體積。下圖(圖2)顯示了當(dāng)溫度升高要求不超過40°C時，不同體積功率密度的散熱模式。例如，功率調(diào)節(jié)芯片的熱量消耗為0.01W，體積為0.125cm3，體積功率密度為0.1 / 0.125 = 0.08W / cm3。如果您看下圖，您會發(fā)現(xiàn)金屬傳導(dǎo)冷卻符合要求。

根據(jù)上圖，冷卻方式的選擇順序為自然冷卻-熱傳導(dǎo)強制空氣冷卻-液體冷卻-蒸發(fā)冷卻。通過傳導(dǎo)，輻射，自然對流等冷卻方式，體積功率密度小于0.122W/cm3，強制風(fēng)冷為0.122-0.43W/cm3，液冷為0.43-0.6W/cm3，0.6W/cm3，超過了蒸發(fā)冷卻。當(dāng)需要40°C時，這是推薦的標(biāo)準(zhǔn)值。如果溫度低于40°C，則需要降低散熱方法。如果溫度升高為0.122，則需要強制風(fēng)冷，如果溫度升高非常低，請選擇液體冷卻或蒸發(fā)冷卻。

一些問題需要注意。是否有強制風(fēng)冷以滿足散熱要求?您可以自由選擇風(fēng)扇的速度。有些工作就像在說您可以處理大學(xué)的知識水平。風(fēng)扇速度與氣流速率直接相關(guān)。這是一個新概念，即熱阻。

熱阻=溫差/熱量消耗(單位：°C/W)

熱阻越小，熱導(dǎo)率越高。這個概念對應(yīng)于抵抗。兩端之間的溫差類似于電壓，并且熱傳導(dǎo)類似于電流。空氣導(dǎo)管的熱阻包括流體力學(xué)計算。如果熱設(shè)計要求不高，則可以通過估算或?qū)嶒瀬慝@得。如果要求非常嚴(yán)格，請參見“ GJB / Z27”。 -92線性直流電源的可靠性熱設(shè)計手冊包含系數(shù)和假設(shè)的許多組合。一言以蔽之。我不知道如何將各個系數(shù)與實際的風(fēng)管設(shè)計結(jié)合起來。例如，風(fēng)管內(nèi)有許多電纜，風(fēng)管壁不均勻。金屬板是帶有不均勻皮帶裝置的線性直流電源電路板。有些系數(shù)只能估算。相反，它是最準(zhǔn)確的實驗測量方法。

選擇散熱器時，熱阻更大，大多數(shù)制造商可以提供此參數(shù)。例如，芯片的功耗為20W，芯片表面不能超過85°C，最高環(huán)境溫度為55°C。計算所需的散熱器熱阻R。

計算：散熱器和芯片之間的實際熱阻約為0.1°C/W，則(R + 0.1)=(85-55)°C/20W，則R = 1.4°C/W。根據(jù)該值選擇散熱器。

請注意這里的問題。該計算默認為熱量消耗≈芯片功率。對于典型的芯片，該芯片沒有驅(qū)動機制，也沒有其他能量轉(zhuǎn)換機會，因此可以通過這種方式進行估算。受熱。電源轉(zhuǎn)換芯片和模塊不是這種情況。例如，電源是能量輸出。輸入功率的一部分轉(zhuǎn)換為熱量，大部分轉(zhuǎn)換為電能輸出。此時，它不被視為熱量。消耗≈功率。

以上是定量設(shè)計的內(nèi)容。在定量設(shè)計指南之后，還有一些特定的工程技能可以幫助您達到理論計算結(jié)果的要求，共有三種常見的熱設(shè)計思想：降耗、導(dǎo)熱、布局。

降耗是是為了防止熱量產(chǎn)生，導(dǎo)熱是為了將熱量傳導(dǎo)出去不受影響，布局是熱也沒有散掉，而是通過措施將熱敏設(shè)備隔離開。它有點像電磁兼容性方面針對發(fā)射源、傳播路徑和敏感設(shè)備措施。

降耗是最原始和最基本的解決方案。降額和低功耗設(shè)計方案是兩種主要方法。低功耗方案需要結(jié)合特定的設(shè)計進行分析，因此不再贅述。選擇設(shè)備時，請使用片式電阻器，繞組電阻器(較少的碳膜電阻器)，單片電容器，鉭電容器(較少的紙介電電容器)，MOS，CMOS線性直流電源電路(使用鍺管)。指示燈使用發(fā)光二極管或LCD屏幕(白熾燈較少)，表面安裝設(shè)備等。除了選擇低功率器件外，溫度補償和某些對溫度敏感的特殊組件的控制也是解決該問題的方法之一，尤其是線性直流電源的主要組件(例如電容和電阻放大)。定量測量。電路。

降額是減少消耗的最重要方法。假設(shè)細電線可以承載10A的標(biāo)稱電流，則該電流將產(chǎn)生更多的熱量。增粗電線以增加余量，并讓20A額定電流通過。當(dāng)電流為10A時，由于內(nèi)阻引起的熱損失減少，并且熱量減少。另外，當(dāng)環(huán)境溫度由于降額而升高時，性能劣化，但是存在裕度，使得即使性能劣化也可以滿足要求。這也是通過降低額定值以及另一篇博客文章的內(nèi)容來提高可靠性的效果。

導(dǎo)熱的設(shè)計規(guī)格很多，因此請選擇一些更通用的規(guī)格。

1、進風(fēng)口與出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑必須穿過整個散熱通道。通常，進氣口位于機箱的下角，而出風(fēng)口位于機箱的頂部(最遠的對稱角)。

2、請勿在機箱頂部或面板上打開通風(fēng)孔和排氣孔。

3、進氣管的截面積必須大于每個分支空氣管的截面積之和，以防止空氣回流。

4、對靠近熱源的熱組件使用物理絕緣或隔熱材料。石棉板，硅橡膠，泡沫塑料，環(huán)氧玻璃纖維板，金屬板以及浸有金屬膜的陶瓷也可以用作隔熱板。

5、將耗散超過1w的零件安裝到基座上，如果基座由金屬制成的導(dǎo)熱材料制成，請使用底板作為設(shè)備的散熱器。

6、熱管應(yīng)安裝在熱源上方，熱管與水平面的夾角應(yīng)大于30度。

7、由于PCB使用多層板結(jié)構(gòu)(對于EMC也具有巨大優(yōu)勢)，因此電源線或地線位于線性DC電源電路板的頂層或底層。

8、熱源設(shè)備是在印刷電路板上專門設(shè)計的，并且已密封，絕緣，接地并經(jīng)過散熱處理。

9、散熱器(散熱器，散熱器，風(fēng)扇)使用降低熱阻的方法。

(1)擴大輻射區(qū)域并增加加熱元件的黑度。(2)提高了接觸表面的加工精度，并增加了與柔軟可延展的導(dǎo)熱材料的接觸壓力或接觸墊。(3)散熱器葉片必須垂直打印。(4)大型熱源裝置的散熱裝置直接安裝在殼體上。

10、密封線性直流電源的內(nèi)部和外部均涂有黑色涂料，以幫助散熱。為了防止輻射熱影響熱敏元件，由于熱源護罩內(nèi)表面的輻射容量導(dǎo)熱散熱，它必須堅固(黑色)且在外部光滑(不影響熱敏元件)。封面，有。

11、密封線性直流電源外殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)的肋增加了對流和輻射的面積。

12、請勿重復(fù)使用冷卻空氣。

13、為了提高主加熱元件的熱交換效率，可以將加熱元件安裝在形狀相似的空氣導(dǎo)管中。

14、鼓風(fēng)冷卻方法的選擇。

15、風(fēng)扇選擇。

16、在散熱器之間填充散熱器之間的導(dǎo)熱膏(油脂)，以降低接觸熱阻。

17、散熱器之間的接觸應(yīng)良好，接觸表面應(yīng)平整，接觸表面粗糙度應(yīng)為Ra≤6.3μm。

18、輻射是在真空中傳遞熱量的唯一方法。 (1)確保熱源的發(fā)射率高。如果熱源是嵌入式的，請使用金屬傳熱裝置將其傳遞到冷卻系統(tǒng)。 (2)增加輻射的黑度ε。 (3)增加輻射面積s。(4)散熱器必須相對于吸收器具有良好的視角。換句話說，角度系數(shù)φ必須很大。 (5)不想吸收熱量的區(qū)域應(yīng)具有光滑的壁并易于反射熱量。

19、機殼表面溫度不高于環(huán)境溫度10°C;

20、有關(guān)液體冷卻設(shè)計的注意事項;

21、半導(dǎo)體凍結(jié)適用于以下應(yīng)用...

22、變壓器和電感器的熱設(shè)計檢驗項目。

23、減少強制對流熱阻的措施。

24、降低接觸熱阻的措施。

......

布局：

1、降低組件布局熱阻的措施：(1)將組件安裝在最佳自然散熱位置。(2)組件的熱流路徑應(yīng)短，橫截面積應(yīng)大，并且通道中不應(yīng)有絕緣或絕緣。(3)分散安裝加熱元件。

(4)將零件垂直放置在印刷電路板上。

2、減少組件散發(fā)的熱量：(1)帶排氣口的沙在系統(tǒng)內(nèi)部，線性直流電源電路的安裝必須遵循氣流的方向：進氣口→放大線性直流電源電路→邏輯線性直流電源電路→高靈敏度線性直流電源電路→集成線性直流電電源電路→低功率電阻線性直流電源電路→帶有加熱元件的線性直流電源電路→出風(fēng)口，以形成良好的散熱通道。(2)加熱組件必須位于機箱上方，而熱組件必須位于機箱下方。使用機箱的金屬外殼作為散熱器。

3、合理的布局準(zhǔn)則：(1)安裝散熱良好的零件，例如在通風(fēng)口附近。(2)將加熱元件安裝在熱源下方。組件安裝方向的側(cè)面平行于風(fēng)向，并促進熱對流。(3)在自然對流中，必須使熱流路盡可能短，并且使截面積盡可能大。(4)如果冷空氣流量不大，則將組件排成一排以增加湍流度并增強散熱效果。(5)如果加熱元件未安裝在外殼上，則加熱元件與外殼之間的距離必須超過35-40厘米。

4、用于冷卻內(nèi)部組件的進氣口必須配備一個過濾器裝置，該裝置可以在不拆卸外殼的情況下進行更換或清洗。

5、這種設(shè)計避免了設(shè)備工作熱環(huán)境的穩(wěn)定性，并減少了由熱循環(huán)和沖擊引起的熱應(yīng)力變化。溫度變化率不超過1°C/min，溫度變化范圍不超過20°C。制造商可以逐個產(chǎn)品地調(diào)整此度量標(biāo)準(zhǔn)要求。

6、組件冷卻劑和冷卻方法必須與所選的冷卻系統(tǒng)和組件兼容，以避免引起化學(xué)反應(yīng)或電解腐蝕。

7、冷卻系統(tǒng)功率通常為所需冷卻熱量的3%至6%。

8、在冷卻過程中，空氣流中含有水分，并且溫差過大，導(dǎo)致冷凝和粘附，防止由于水分和其他污染物引起的電路短路，從而減少電氣間隙和腐蝕。對策：1確保冷卻前后的溫差不要太大。 2如果溫度差太大，則會發(fā)生凝結(jié)，并且水不會阻塞或停滯。如果水停滯了，則停滯區(qū)域中的材料將不會腐蝕。 4對于裸露的導(dǎo)電金屬，請使用熱縮管或其他屏蔽和絕緣措施。

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