開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)有限元仿真分析
李增利
1.西安電子科技大學(xué)，陜西西安710071 2.陜西航空電氣有限責(zé)任公司。陜西興平71 31 00
摘要: 熱設(shè)計(jì)是開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本文針對(duì)開關(guān)電源芯片的溫度過高和多熱源之間的相互影響導(dǎo)致電源可靠性下降的問題，基于有限元軟件ANsYs對(duì)整個(gè)開關(guān)電源進(jìn)行熱分析，得到了穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖，進(jìn)而通過電路布局改進(jìn)，散熱器參數(shù)設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了開關(guān)電源的芯片溫度，改善了整個(gè)開關(guān)電源的溫度分布情況，提高了開關(guān)電源的可靠性，延長(zhǎng)了壽命，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和工程應(yīng)用意義。
關(guān)鍵詞開關(guān)電源；熱分析；ANSYS：熱設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào) TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1674—6708(2011)47一0034一02
O 引言
開關(guān)電源被廣泛的應(yīng)用于國(guó)防軍事，工業(yè)自動(dòng)化，家用電氣等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中。隨著開關(guān)電源逐步向小型化、高頻化、高功率密度發(fā)展，用戶對(duì)開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
溫升是影響開關(guān)電源可靠性的關(guān)鍵性因素，如何將熱量高效快速的導(dǎo)出，成為電源工程師的首要任務(wù)?。熱設(shè)計(jì)的好壞直接影響著開關(guān)電源的可靠性和壽命。因而熱設(shè)計(jì)是開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。
本文以一個(gè)工作于密閉電源盒的開關(guān)電源為例，利用有限元軟件ANSYS對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，來(lái)提高整個(gè)開關(guān)電源的散熱性能，使得開關(guān)電源的主要發(fā)熱器件的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，保證開關(guān)電源安全可靠的運(yùn)行。
1 開關(guān)電源的熱分析
本文中開關(guān)電源為反激式，具有有源功率因數(shù)校正(APFc)環(huán)節(jié)。主要發(fā)熱元件有開關(guān)管，整流二極管，大功率電阻，變壓器與電感等。
首先利用ANsYs分析工作在空氣中開關(guān)電源的溫度分布情況。
1.1仿真邊界條件和慧荷說明
1)環(huán)境溫度：25℃；
2)對(duì)流系數(shù)：6W/m·K；
3)載荷：器件的生熱率(P為器件的發(fā)熱功率，V是器件等效熱源的體積)。
1.2模型的簡(jiǎn)化處理
1)對(duì)于簡(jiǎn)化線圈模型來(lái)說，由于線圈在實(shí)際中是由一圈一圈的漆包線繞制的，而且這樣的繞線也不規(guī)則，在模型建立中使用單一圓柱體來(lái)代替多圈的導(dǎo)體；
2)芯片熱源等效為長(zhǎng)方體。
1.3網(wǎng)格模型
模型中有些部分的尺寸微小，如MosFET的等效熱源。尺寸為13.8×8×O.2mm3。選用ANsYs軟件中的s0LIDTO單元.通過設(shè)置MsHKEY和MsHAPE兩個(gè)選項(xiàng)，完成對(duì)單元形狀的控制。
在建立網(wǎng)格處理不規(guī)則體的時(shí)候，特別是連接處理后的非六面體的情況，采用退化的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以通過設(shè)定EsIZE，LEsIZE的大小來(lái)決定單元網(wǎng)格的大小，則模型網(wǎng)格單元數(shù)目為324532。.
1.4仿真結(jié)果分析
表l中是工作在空氣中開關(guān)電源的溫度分布情況。利用紅外熱像儀測(cè)得的溫度。與仿真的溫度值對(duì)照，相對(duì)誤差較小，具有很好的準(zhǔn)確性。實(shí)際上。此開關(guān)電源工作在一個(gè)封閉的電源盒內(nèi)，內(nèi)部的空氣流動(dòng)速度很慢。在理想狀態(tài)下，認(rèn)為內(nèi)部空氣處于絕熱狀態(tài)，幾乎不導(dǎo)熱。因而各器件的實(shí)際工作時(shí)溫度會(huì)更高。因此。為保證開關(guān)電源安全可靠的運(yùn)行。必須采取有效的散熱措施，迅速的將電源盤內(nèi)部的熱量導(dǎo)出。降低主要熱源的溫度。
2 開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)分析
如何尋找低熱阻通路來(lái)將熱最迅速導(dǎo)出是設(shè)計(jì)開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，因?yàn)橹挥虚_關(guān)電源器件的結(jié)點(diǎn)溫度降低后，這樣才能避免高溫而導(dǎo)致開關(guān)電源可靠性下降的問題。此開關(guān)電源工作在一個(gè)封閉的電源盤內(nèi)，由于工作環(huán)境特殊，不允許加風(fēng)扇，只能采取自然散熱的措施。其熱設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括電源盤的內(nèi)部熱設(shè)汁和電源盤的外部熱設(shè)計(jì)。
通過設(shè)計(jì)將開關(guān)電源的前后級(jí)MOsFET，后級(jí)二級(jí)管，整流橋的溫度控制在60。c以內(nèi)，變壓器的溫度低于65℃。
2.1電源盒的內(nèi)部熱設(shè)計(jì)
開關(guān)電源的電源盒內(nèi)部熱設(shè)計(jì)主要是調(diào)整器件布局和改變內(nèi)部介質(zhì)。
1)電路布局的熱設(shè)計(jì)
密封電源盤內(nèi)熱源的主要散熱途徑有以下幾個(gè)方面：首先，通過熱源經(jīng)盒內(nèi)介質(zhì)向殼體傳導(dǎo)的熱量，可以通過對(duì)流和輻射在殼體的表面將熱量發(fā)散到大氣中；其次，通過盒體內(nèi)部的介質(zhì)可以把熱量傳遞到其他部件上，這樣就可以形成溫度的疊加效應(yīng)。
所以。在設(shè)計(jì)過程中，在考慮不影響電路性能的情況下，應(yīng)該使得發(fā)熱部件盡町能分散，且在電路板邊緣分布，另外，固定在電源盒的導(dǎo)熱鋁板應(yīng)該與其相連。電路板的后邊緣則應(yīng)該放置前后級(jí)M0sFET和整流橋，與電源盒的側(cè)壁相連靠的是2m的導(dǎo)熱鋁板；而電路板的前側(cè)邊緣放置后級(jí)二極管，同樣，電源盒的側(cè)壁相連靠的是同樣厚度的導(dǎo)熱鋁板
2.2電源盒的外部熱設(shè)計(jì)
電源盒的壁厚和殼體表面肋片的設(shè)計(jì)構(gòu)成了電源盒的外部熱設(shè)計(jì)，需要注意，其表面的散熱方式為對(duì)流和輻射。這樣，根據(jù)流散熱的原理，表面散熱面積則是影響散熱的主要因素，其中，電源盒的表面散熱面積與外殼肋片的高度影響I茸接相關(guān)。開關(guān)電源的傳導(dǎo)散熱主要受到電源盒的壁厚的影響，同時(shí)，電源盒表面的對(duì)流散熱則受到外殼的肋片高度影響。因此，對(duì)于多熱源的封閉盒體來(lái)說，在限定電源盒尺的條件下，外殼的肋片高度對(duì)于散熱的影響一般大于肇厚的影響，所以對(duì)于封閉盒體來(lái)說，主要的散熱形式為表面的對(duì)流散熱，這樣能有效的散發(fā)熱量，降低盒體內(nèi)部器件的結(jié)點(diǎn)溫度。
所以根據(jù)上述結(jié)果分析可知。對(duì)于電源熱設(shè)計(jì)中需要采用內(nèi)部灌膠，而對(duì)于主要發(fā)熱器件來(lái)說則需要通過導(dǎo)熱鋁板與電源盒外殼相連，同時(shí)采取電源盒外殼加肋片的綜合散熱措施，這樣可以有效控制開關(guān)電源溫度，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，從而滿足設(shè)計(jì)要求。
3 結(jié)論
本文開共電源因其工作環(huán)境的要求，限制了散熱措施的選擇。
在只能采取自然散熱措施，且功耗很大，電源盒的尺寸和重量受到嚴(yán)格限制的條件下，分別對(duì)電路板和電源盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)，尋找一種有效的散熱措施，降低了主要器件的溫度。提高開關(guān)電源的可靠性。延長(zhǎng)了壽命。
參考文獻(xiàn)
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