中心議題：
- 產(chǎn)生熱量的原因
- 熱設(shè)計(jì)的一些基本原則
- 輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流散熱介紹
- 產(chǎn)品散熱實(shí)際計(jì)算
在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天。如何保證電子設(shè)備的長時(shí)間可靠運(yùn)行，一直困擾著工程師們。造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多，但是高溫是其中最重要的因素，溫度對(duì)電子設(shè)備的影響高達(dá)60％。簡化散熱處理是偉仕電源變換器模塊電源的重要特點(diǎn)之一。由于變換器的效率很高，產(chǎn)生的熱量很小，并采用超薄形封裝，提供了方便安裝和電隔離的散熱介面。采取適當(dāng)?shù)纳岽胧梢愿纳谱儞Q器的工作條件，提高系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間（MTBF），縮小變換器模塊的體積，并且還能延長使用壽命、降低成本。下面介紹偉仕電源變換器模塊有效的散熱方法。
產(chǎn)生熱量的原因
模塊電源并非全部輸入能量都可變換成輸出能量，一部分輸入電能將在變換器中變成熱能損耗掉。變換器的輸出功率與輸入功率之比稱為變換器的效率。效率是變換器最基本的品質(zhì)因數(shù)，它能夠用來表示變換器輸出功率與功耗的直接關(guān)系。估算冷卻要求時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)變換器效率計(jì)算出在最差情況下的功耗和預(yù)期的負(fù)載功率。偉仕電源變換器是目前效率最高的變換器之一，新型模塊的滿載時(shí)效率可達(dá)到90%以上。
熱設(shè)計(jì)的一些基本原則
1、從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于20mm
2、同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件（如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等）放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件（如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等）放在冷卻氣流最下游。
3、在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響。
4、對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局。
5、設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，合理配置器件或印制電路板。空氣流動(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng)，所以在印制電路板上配置器件時(shí)，要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。
散熱的方法
熱能從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)的基本方式有三種：輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流。
輻射：不同溫度的兩個(gè)物體間熱量的電磁傳遞。
傳導(dǎo)：熱量通過固體介質(zhì)的傳遞。
對(duì)流：熱量通過流體介質(zhì)（空氣）的傳遞。
在各種實(shí)際應(yīng)用中，所有三種熱量傳遞的方式都有不同程度的作用。在大部分應(yīng)用中，對(duì)流是最主要的熱量傳遞方式，若再加上另外兩種散熱方式,效果更佳。但在某些情況下，這兩種方式也可能帶來反效果。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)良的散熱系統(tǒng)時(shí)，所有三種熱量傳遞方式都應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮。
1、輻射散熱
當(dāng)兩個(gè)不同溫度的介面相對(duì)時(shí)，將產(chǎn)生熱量的連續(xù)輻射傳遞。輻射對(duì)個(gè)別物體溫度的最終影響決定于許多因素：各部件的溫度差、有關(guān)部件的方位、部件表面的光潔度以及彼此的間隔等。由于很難把這些因素量化，加上周圍環(huán)境本身的輻射式能量交換的影響，因此計(jì)算輻射對(duì)溫度的影響很復(fù)雜，而且很難精確。
偉仕電源變換器模塊實(shí)際應(yīng)用中，不可能單依靠輻射式散熱作為轉(zhuǎn)換器的冷卻方法。在大部分情況下，輻射只能散去總熱量的10%或以下，因此，輻射散熱通常只能作為主要散熱方式以外的一種輔助手段，并且熱設(shè)計(jì)時(shí)通常也不考慮它對(duì)模塊溫度的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，通常變換器模塊的溫度都高于環(huán)境溫度，因此，輻射能量傳遞有助于散熱。但是，在某些情況下，模塊附近一些熱源（功率器件板，大功率電阻等）的溫度比模塊的溫度更高，這些物體的熱輻射將反而會(huì)使模塊的溫度升高。
在散熱設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)熱輻射可能產(chǎn)生的影響，合理安排變換器模塊周圍元件的相對(duì)位置。當(dāng)發(fā)熱元件靠近變換器模塊時(shí)，為了減弱輻射的加熱效應(yīng)，在模塊和發(fā)熱元件之間應(yīng)插入隔熱板。[page]
2、傳導(dǎo)散熱
在大部分應(yīng)用中，模塊產(chǎn)生的熱量將從基板傳導(dǎo)到散熱器或?qū)嵩稀５窃诨搴蛯?dǎo)熱元件之間的接觸面上將產(chǎn)生溫度差，這種溫度差必須加以控制, 熱阻串聯(lián)在散熱回路中，基板的溫度應(yīng)為接觸面的溫升和導(dǎo)熱元件的溫度之和。如果不加控制，接觸面的溫升會(huì)特別明顯的。接觸面的面積應(yīng)盡可能大一些，并且接觸面的平滑度應(yīng)當(dāng)在5密耳（0.005英寸）以內(nèi)。為了消除表面的凹凸不平，在接觸面上應(yīng)填充導(dǎo)熱膠或?qū)釅|。采取適當(dāng)?shù)拇胧┖螅佑|面的熱阻可降到0.1℃/W以下。只有降低散熱熱阻(RTH)或降低功耗(Ploss)才能降低溫升，增加TAmax,電源的最大輸出功率跟應(yīng)用環(huán)境溫度有關(guān),影響參數(shù)包括損耗功率Ploss、熱阻RTH和最高電源殼溫TC。效率高和散熱較佳的電源溫升會(huì)較低。在標(biāo)稱功率輸出時(shí)，它們的可用溫度會(huì)有余量。效率較低或散熱較差的電源的溫升會(huì)較高。它們需要風(fēng)冷或降額使用.
在許多應(yīng)用中，變換器基板上的熱量要經(jīng)導(dǎo)熱元件傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的散熱面上。這樣，基板的溫度將等于散熱面的溫度、導(dǎo)熱元件的溫升及兩接觸面的溫升之和。導(dǎo)熱元件的熱阻與其長度L成正比，與其截面積及導(dǎo)熱率反比，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒孛娣e，也可以減小導(dǎo)熱元件的熱阻。在安裝空間和成本都允許的條件下，應(yīng)選用熱阻值最小的散熱器。應(yīng)當(dāng)記住，基板溫度略微降低一點(diǎn)，平均無故障時(shí)間（MTBF）就會(huì)顯著提高。
散熱片的制造材料是影響效能的重要因素，選擇時(shí)必須加以注意。目前加工散片所采用的金屬材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)：
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金屬材料
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熱傳導(dǎo)系數(shù)
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金
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317W/mK
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銀
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429W/mK
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銅
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401W/mK
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鐵
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48W/mK
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鋁
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237W/mK
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AA6061鋁合金
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155W/mK
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AA6063鋁合金
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201W/mK
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ADC12鋁合金
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96W/mK
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AA1070鋁合金
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226W/mK
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AA1050鋁合金
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209W/mK
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熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K＝1℃）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。 熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價(jià)格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少，但近兩年隨著對(duì)散熱設(shè)備性能要求的提高，越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，寄此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。
各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。上表中列出的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。
3、對(duì)流散熱
對(duì)流散熱是偉仕電源變換器常用的散熱方法，對(duì)流通常分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。熱量從發(fā)熱物體表面?zhèn)鬟f到溫度較低的周圍靜止的空氣中，稱為自然對(duì)流；熱量從發(fā)熱物體表面?zhèn)鬟f到流動(dòng)的空氣中，稱為強(qiáng)制對(duì)流。
自然對(duì)流的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)行、不需要風(fēng)扇、成本較低、而且散熱的可靠性很高。但是，與強(qiáng)制對(duì)流相比，為了達(dá)到相同的基板溫度，所需散熱器的體積較大。
自然對(duì)流散熱器設(shè)計(jì)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
通常散熱器都只給出垂直散熱片的參數(shù)。水平散熱片散熱效果較差。如果須水平安裝，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卦黾由崞鞯拿娣e，也可采用強(qiáng)制對(duì)流散熱。
自然對(duì)流的散熱效果決定于熱量密度變化引起的空氣流速。散熱器的熱阻值通常是指散熱片處于沒有任何障礙的氣流中時(shí)的熱阻值。如果周圍的器件阻礙空氣流過散熱片時(shí)，就應(yīng)當(dāng)選用散熱面積更大的散熱器。在最惡劣的工作條件下，自然對(duì)流散熱可能不起作用，務(wù)必使散熱片完全暴露在周圍的空氣中。
散熱器的尺寸不必受模塊基板的限制。散熱器的基板面積大于模塊基板，散熱效果會(huì)更佳。另外，幾個(gè)變換器模塊也可以裝到同一個(gè)散熱器上，此時(shí)，不能只考慮模塊的總功耗，因?yàn)樵谧類毫拥墓ぷ鳁l件下，如果變換器模塊的功耗差別較大，那么就可能造成某些模塊過熱。當(dāng)同一個(gè)散熱器上的多個(gè)變換器模塊裝到印刷電路板上時(shí)，務(wù)必先把模塊牢固安裝在散熱器上，并將各引腳連接好，然后再把該組合模塊焊接到印刷電路板上。如果必須在安裝前焊接，為了整齊排列，應(yīng)先利用固定物把各模塊固定后才焊接。[page]
強(qiáng)制對(duì)流具有非常好的散熱效果。與自然對(duì)流散熱相比，采用適當(dāng)?shù)纳崞骱螅崞鞯娇諝獾臒嶙杩蓽p小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
強(qiáng)制對(duì)流時(shí)必須采用風(fēng)扇。在許多實(shí)際應(yīng)用中，為了保證電源系統(tǒng)的整體可靠性和安裝密度，都要求采用風(fēng)扇散熱。然而，在某些應(yīng)用中，采用風(fēng)扇是一大禁忌。當(dāng)工作環(huán)境的空氣不干凈時(shí)，必須采用濾塵器，并且為了保證散熱效果，濾芯需要定期更換。
產(chǎn)品散熱實(shí)際計(jì)算
在不同的應(yīng)用中，電源模塊需要的散熱器熱阻可從下面的等式計(jì)算出來，然后可根據(jù)熱阻從散熱器的資料冊中可以找到適當(dāng)?shù)纳崞?br />
TC,max 電源最大的滿功率輸出殼溫
TA 工作環(huán)境溫度
電源工作效率
Pout電源輸出功率
例1：最高工作環(huán)境溫度為45℃，空氣流速為400英尺/分鐘時(shí)，計(jì)算WDH150-48S05，150W，5V輸出模塊不帶散熱器時(shí)的最大輸出功率。
最高輸出功率=
Tmax=85℃
Ta=45℃
=2.64℃/W
η=90%(0.9)
最大輸出功率=
=136W(max)
例2：在自然對(duì)流條件下，當(dāng)工作環(huán)境為55℃，輸出24V、45W時(shí)，求出WDH50-48S24模塊所能承受的最大熱阻。
最大熱阻抗=
Tmax=100℃
Ta=55℃
Pout=45W
η=87%(0.87)
最大熱阻=
=6.69℃/W(min)
例3：空氣流速為200英尺/分鐘時(shí)，帶有0.45寸散熱器的WDH150-48S05模塊輸出為5V，130W時(shí)，計(jì)算模塊的溫升。
溫升=×Pout（ -1）
Pout=130W
=2.7℃/W
η=90%(0.9)
溫升=130×2.7（ -1）
=39℃
