开关电源的散热设计

王忠

（安徽蚌埠中国电子科技集团公司第41研究所，安徽蚌埠，233006）

1　概述

由于开关电源中使用了大量的大功率器件，它们在工作时会产生大量的热量，电源内部过高的温升将会导致对温度敏感的功率器件等元器件的失效。因此，电源的散热设计对提高开关电源乃至整套电子设备的工作可靠性显得尤为重要。

2　散热有三种基本方式

（1）热传导:靠物体直接接触或物体内部之间发生的传热即是热传导。其机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间，分子动能的相互传递。（2）对流换热:热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来填充，填充过来的流体吸热膨胀向上流动，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量，这一过程称为对流换热。对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A为与流体接触的壁面面积[m2]，α为对流换热系数，θ1为壁面温度[K]，θ2为流体平均温度[K]。（3）热辐射:由于温差引起的电磁波传播称为热辐射。它是将物体的一部分热能转换成电磁波的能量，通过能传递电磁波的介质如空气、真空等，向四周传播出去，当遇到其它物体时，则一部分被吸收再转化为热能，剩下的则被反射回来。各种物体所散发出来的红外线，即是热辐射的一种。在真空或空气中，物体辐射出去的辐射能力Φ，决定于物体的性质、表面状况（如颜色、粗糙度等）、表面积大小及表面温度等。物体表面颜色越深，越粗糙，辐射能力越强。

3　开关电源的散热设计

3.1　开关电源主要散热方式

开关电源中各发热源，如整流桥、功率开关管、快恢复二极管、磁性元件以及作为假负载的大功率电阻等，这些元器件所产生的热量必须散发出去，一般热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热。即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过热传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱。实际的散热情况为三种传热方式的综合。

3.2　散热设计的基本要求

在开关电源的散热设计中，选择适当的途径将热量传递出去，达到元器件降温的目的。具体要求是：第一：通过散热设计在满足性能指标的前提下，减少电源内部产生的能量；第二：通过散热设计减少热阻；第三：通过散热设计来保证电源能在较低的温度条件下工作，保持性能稳定，提高可靠性。

实践证明，散热设计得好，对保持性能稳定、提高工作寿命有明显的作用。经过散热设计可以降低元器件的工作温度，元器件的失效率明显降低，便提高了整机的工作可靠性和延长使用寿命。

3.3　散热设计的基本原则

(1)从有利于散热的角度，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则。(2)对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将器件按纵长方式排列，对于采用强制空气冷却的设备，最好是将器件按横长方式排列。(3)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件放在冷却气流最下游。 (4)在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置。（5）对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域，不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。 （6）设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以合理配置器件或印制电路板。

3.4　散热设计中常用的几种方法

3.4.1使用散热器

功率器件是电源设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。散热能力越强，所能承受的功耗就越大。对于大功率器件来说，仅靠其引线和封装外壳散热无法满足散热要求，需要配置合理散热器进行散热。在选择和安装时应该注意，第一：在保证要求的前提下，尽量选用体积小、重量轻的散热器；第二：安装时应尽量增大器件和散热器的接触面积和压力，还要用导热硅脂涂在接触面，这样做可以使接触电阻降低20%~35%；第三：散热器表面应粗糙、涂黑色，以加强辐射散热的效果。

3.4.2使用冷却风扇

对于大功率电源来说，因为有发热量较大的器件，通常采用自然风冷与风扇强制风冷结合的形式。采用自然风冷时，一般选用带翅片或叉指形的散热器，在安装时尽量使散热片的叶片竖直向上放置，便于空气的对流。强制风冷是利用风扇强制空气对流，使功率器件周围的热气流以高的速度将热量带走，在风道的设计上尽量使散热片的叶片轴向与风扇的气流方向一致，越是散热量大的器件越要靠近排气风扇。

3.4.3金属PCB

随着开关电源的小型化，表面贴片元件广泛地运用，散热片难于安装到功率器件上。为克服该问题主要采取金属PCB作为功率器件的载体，主要有铝基覆铜板、铁基覆铜板，金属PCB的散热性远好于传统的PCB且可以贴装SMD元件。另有一种铜芯PCB，基板的中间层是铜板绝缘层采用高导热的环氧玻纤布粘结片或高导热的环氧树脂，它是可以双面贴装SMD元件，大功率SMD元件可以将SMD自身的散热片直接焊接在金属PCB上，利用金属PCB中的金属板来散热。

3.4.4发热元件的布局

开关电源中主要发热元件有多种，发热元件布局的基本要求是按发热程度的大小，由小到大排列，发热量越小的器件越要排在开关电源风道风向的上风处，发热量越大的器件要越靠近排气风扇。发热器件在PCB的布局上同时应尽可能远离对温度敏感的元器件，如电解电容等。

4.总结

开关电源在研制过程中，做好热设计是提高产品可靠性必不可少的方法。对电源应该从元器件、电路板及环境三个层次进行热设计。对于不同功率的电源，要合理利用自然冷却和强迫风冷。应注意到要改善电源内部的电子元器件向机壳的传热能力和提高机壳向外界的热传递能力，切实有效的提高开关电源的可靠性。