新型转换器的散热方式研讨

　　为了向负载提供最有效的电源，必须采用正确的散热管理方案。当模块化的DC／DC转换器的功率密度不断增大时，这一点就更为重要。因此在设计或选择电源时，不能低估或忽略转换过程中产生的热量。产品的可靠性及其使用寿命与工作温度是成反比的。

　　所有的电源制造商都规定了最高的工作温度并公布转换器的散热数据资料。具有鲁棒性的设计要求在任何操作条件下都不能超出温度限度并且还需要有足够的余量。这就需要进行仔细的分析，了解应用条件，并通过实验来验证所选的散热管理方案能够有效地满足环境和负载的要求。

　　效率，虽然在散热能管理中不是唯一考虑的因素，但确实是很重要。设备制造商通常都会公布效率值。然而，设计者却不能认为公布的效率规格适用于所有的工作环境。传统上，DC／DC转换器的制造商所提供的效率信息只适用于特定的应用及合并负载条件下。

　　然而，通常设备不会只在一种情况下运行；因此参考全部的效率图就非常重要。要设计合理的散热管理方案，需要采用能够想到的在规划的整个工作范围内最差情况下的效率值，来计算其功率耗散。

　　在对系统架构，产品效率及散热管理进行设计上的权衡之后，设计者必须对其应用项目进行仔细地分析来制定冷却方案。电源设计者必须保证在所有的情况下都不能超出产品能够工作的最高温度限制，并且在设计时还要有足够的富余。要记录分析过程，作出计算，并给出实例，如：测定由耗散功率引起的底板温度比环境温度的上升情况。

　　如果需要散热片，计算将底板温度控制在一定限度内所需要的热阻的数值。

　　计算强制通风的需要量及其等级。

　　这一过程中，第一步就是确定在最差情况下系统所能进行的功率耗散。

　　用以下方程计算在期望的工作范围内转换器的效率以及设备所能承受的最大负载。转换功率η，以百分比的形式可以定义为：（方程1）这里，Po是输出功率，Pin是输入功率。设备生产商通常会公布效率值。

　　然而，不能认为所公布的效率能够适用于所有的工作情况；也不可能要求生产商为某个特定应用提供效率曲线作为参数。图1显示了300VDC额定输入，在500W48VDC输出时室温下的曲线（VicorDC／DC转换器V300A48C500A）。

　　由图1可以看出在这个设备工作范围内，大多数情况下其效率一直十分稳定。如图1所示，在大多数输出范围内，效率处在额定曲线的89％。在我们的例子中，我们将使用这一数值作为最差情况下的效率值。如果转换器是满负载运行（Po＝500W），以热能形式耗散的功率就应为：（方程2）从而，Pd＝61.8W下面必须测定由功率耗散引起的底板温度比环境温度的上升情况。所有的生产商都会公布所生产的转换器的散热信息。对于产品来说，规定的最高工作温度（在底板上测量的）为100℃（Tb）。

　　公布的热阻值在大气中是4.9℃／W.因此，计算温度的上升就变得容易了：Tr＝Pd＊θ（方程3）这是一个相当大的数值。当然模块不可能在大气中满负载运行。即使模块的功率为92％，也会比环境温度上升213℃。将最高底板温度规定为100℃，仅仅是提高效率的问题就不能得效率和输入电压、输出电流的关系以解决。这是很重要的一点。当然，还需要采用散热片或其他手段降低底板热阻。为了找到合适的散热片，我们要知道能够容许的温度上升，从而确定能将底板温度保持在规定内的热阻值。

　　容许温度上升是最大底板温度与最大期望环境温度的差。基于网络的计算机很容易进行这些计算；用户也可以很便捷的获取已知数值并选择参数进行计算。

　　例如，最大环境温度为55℃，模块的容许温度上升就应为45℃（＝100℃－55℃）。所需的热阻应为容许温度上升除以最大功率耗散Pd（方程4）。在这个例子中，热阻就应为0.73℃／W.这也是能够允许的最大热阻值，并且还会使模块在规定的最高温度下工作，因为当模块在满负载的情况下，预期的环境温度也达到最大值。这里的热阻不仅是散热设备的热阻，而是系统中各个接口阻抗的总和。在选择散热接口材料时，这一点尤其重要。在任何情况下，接口的热阻值越低越好。

　　在一定限制下进行设计总是不尽人意。设想你正在驾驶车辆，却不能加速，因为引擎已达到极限了只能一直保持下去。即使生产商声称提高轮子转数可以实现加速，但你也会认为这样驾驶是不可能的。同样的理论也适用于电源设备。为了稳固耐用，设备工作温度越低越好。只要可能，0.75的降额因数（deratingfactor）就可以适用于所需要的最大热阻值。

　　（方程4）应用降额因数会带来一个更令人满意的结果――0.55℃／W的θ。这种低阻值可以使用以下任何方法来实现：？自然对流冷却――热能传递到流体中，主要是空气。？强制对流冷却――热能传递到流动的流体中。？传导冷却――热能通过固体物质进行传递。

　　最大的表面积能够实现最佳的自然对流冷却，可以用散热设备的形式，或者在热量传导表面安装组件。许多生产商将散热设备作为其产品的一部分。根据实际应用确定是否需要强制通风使设备保持在其限度之内。也有一些生产商将散热设备作为其附属产品，其他的散热设备生产商会在所提供的信息的基础上为顾客设计解决方案。使用传导冷却时，热量通常通过对流散逸到周围的空气中。

　　探讨一下这样的热循环：在一个模块中，由开关元件产生的热量传到模块底板上，然后通过导热接口材料传到机架的金属板上。通过对流，金属板的热能就传到空气中。将电源装配到密封的符合NEMA（美国电气制造商协会）标准的外壳中对传导冷却来说是理想的应用，因为产生的热就传送到箱体本身再传到空气当中。使用传导冷却时，用户必须保证产品在其使用范围内。因为安装到表面的产品散热效果可能不是太好，用户就需要做出一系列的权衡，再进行有效的散热（采暖散热器行业整体实力大幅提升）管理。有些变量是指系统内的物理空间，气流，以及产品的定位。

　　无论使用何种冷却方法，都需要一种谨慎的设计态度。我们鼓励通过直接测量确定散热管理系统。障碍物、涡流以及安装错误都会阻碍气流从而导致冷却功能的重大丧失，否则的话，这些都会成为合格的“纸上”设计。

　　下面给出两个热能计算的例子：例1：用以下所给出的信息，计算释放400W功率的模块的周围温度的最大值：n＝86percent（0.86）max＝0.77℃／WTb＝100℃解：代入方程（3）和（4）；T周围温度最大值＝Tb－［6θmax＊（Pd）］T周围温度最大值＝50℃例2：用以下所给出的信息，计算向负载释放300W的系统从模块底板到空气可以接受的最大热阻值：T周围温度最大值＝60℃n＝91percent（0.91）Tb＝100℃解：根据方程3计算所消耗的功率Pd＝30W根据方程4计算合理的温度升高的最大值：Tr合理＝Tb－T周围温度最大值Tr合理＝40℃计算最大热阻值：max＝Tr合理／Pdθmax＝1.4℃／W如果设备体积不是关键问题，那么依靠增加散热设备来降低热阻值的作用相对就来说微不足道了。空间允许的话，人们只是选择最大的散热设备和散热片的组合，并用合适的热接口材料与模块连接。然而，一般情况下，在功率模块中几乎没有足够的空间。

　　很多通讯设备中有大型的机架设备，里面包含着许多靠得很近的PCB.

　　这种板内空间被称为“间距”。为了最充分的利用产品，在给定空间中能够插入的PCB卡越多越好。这就使得PCB上元件的高度成为一个重要的问题。

　　但那就另外一回事了。