Cinco puntos profundizan en la solución térmica de la fuente de alimentación conmutada

Todos sabemos que se generará una gran cantidad de calor cuando la fuente de alimentación conmutada esté funcionando. Si el calor no puede descargarse a tiempo y mantenerse a un nivel razonable, el funcionamiento normal de la fuente de alimentación conmutada se verá afectado y la fuente de alimentación conmutada se dañará en casos graves. Para mejorar la confiabilidad de la fuente de alimentación conmutada, hoy compartiré con ustedes varias soluciones de enfriamiento específicas para la fuente de alimentación conmutada.

Las fuentes de alimentación conmutadas se han utilizado ampliamente en varios tipos de equipos electrónicos actuales, y su densidad de potencia unitaria mejora constantemente. La densidad de alta potencia se define a partir de 25w/in3 en 1991, 36w/in3 en 1994, 52w/in3 en 1999 y 96w/in3 en 2001. Para mejorar la confiabilidad de la fuente de alimentación conmutada, el diseño térmico es una parte esencial e importante en el diseño de la fuente de alimentación conmutada.

Si el aumento de temperatura dentro de la fuente de alimentación de conmutación es demasiado alto, provocará la falla de los dispositivos semiconductores sensibles a la temperatura, los condensadores electrolíticos y otros componentes. Cuando la temperatura excede un cierto valor, la tasa de falla aumenta exponencialmente. Las estadísticas muestran que la confiabilidad de los componentes electrónicos disminuye en un 10 por ciento por cada aumento de temperatura de 2 grados; la esperanza de vida con un aumento de temperatura de 50 grados es sólo 1/6 de la que tiene con un aumento de temperatura de 25 grados. Además del estrés eléctrico, la temperatura es el factor más importante que afecta la confiabilidad de las fuentes de alimentación conmutadas. Las fuentes de alimentación de conmutación de alta frecuencia tienen elementos calefactores de alta potencia y la temperatura es uno de los factores más importantes que afectan su confiabilidad.

El diseño térmico completo de una fuente de alimentación conmutada incluye dos aspectos: uno es cómo controlar la generación de calor de la fuente de calor; el otro es cómo disipar el calor generado por la fuente de calor, de modo que el aumento de temperatura de la fuente de alimentación de conmutación se controle dentro del rango permitido para garantizar la confiabilidad de las fuentes de alimentación de conmutación.

1. El diseño de controlar el valor de generación de calor.

Los principales componentes de calefacción en la fuente de alimentación de conmutación son tubos de conmutación de semiconductores, diodos de potencia, transformadores de alta frecuencia, inductores de filtro, etc. Los diferentes componentes tienen diferentes métodos para controlar la generación de calor. El tubo de alimentación es uno de los dispositivos con gran generación de calor en la fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia. Reducir su generación de calor no solo puede mejorar la confiabilidad del tubo de alimentación, sino también mejorar la confiabilidad de la fuente de alimentación conmutada y mejorar el tiempo medio entre fallas (MTBF). ). La generación de calor del tubo del interruptor es causada por la pérdida, y la pérdida del tubo del interruptor consta de dos partes: la pérdida del proceso de conmutación y la pérdida en estado activo. Por lo tanto, se pueden tomar las siguientes medidas para controlar y reducir el calor.

1. Reduzca la pérdida de estado activado La pérdida de estado activado se puede reducir seleccionando un interruptor con baja resistencia de estado activado.

2. La pérdida de conmutación es causada por el tamaño de la carga de la puerta y el tiempo de conmutación. Para reducir la pérdida por conmutación, se puede seleccionar un dispositivo con una velocidad de conmutación más rápida y un tiempo de recuperación más corto para reducir la pérdida por conmutación.

3. Es más importante reducir la pérdida mediante el diseño de mejores métodos de control y tecnología de amortiguamiento. Por ejemplo, la tecnología de conmutación suave puede reducir en gran medida esta pérdida.

4. Reducir la generación de calor del diodo de potencia. En general, no existe una mejor tecnología de control para reducir la pérdida del rectificador de CA y el diodo amortiguador. La pérdida se puede reducir seleccionando un diodo de alta calidad.

5. Para la rectificación del lado secundario del transformador, se puede seleccionar una tecnología de rectificación síncrona más eficiente para reducir la pérdida.

6. Para la pérdida causada por materiales magnéticos de alta frecuencia, se debe evitar el efecto piel tanto como sea posible. Debido a la influencia causada por el efecto piel, se puede utilizar el método de enrollar múltiples hebras de alambres esmaltados delgados en paralelo para resolver el problema.

2, el diseño térmico de la fuente de alimentación conmutada

Para disipar el calor del dispositivo de calefacción lo antes posible, el diseño de disipación de calor de la fuente de alimentación conmutada generalmente se considera a partir de los siguientes aspectos: radiador, ventilador de refrigeración, placa de circuito impreso de metal, lámina aislante conductora de calor, etc. diseño real, es necesario aplicar de manera integral los métodos anteriores al diseño de la fuente de alimentación de acuerdo con los requisitos del cliente y el producto en sí y la mejor relación costo-efectividad.

1. Diseño de disipadores de calor de dispositivos semiconductores

Dado que el calor generado por los dispositivos semiconductores predomina en las fuentes de alimentación conmutadas, el calor proviene principalmente de las pérdidas de conducción, encendido y apagado de los dispositivos semiconductores. En términos de topología de circuito, el uso de la topología de conversión de conmutación por cero para generar resonancia de modo que el voltaje o la corriente en el circuito se active o desactive en el cruce por cero puede minimizar la pérdida de conmutación, pero no puede eliminar por completo la pérdida del circuito. cambiar el tubo, por lo que el uso de la disipación de calor El dispositivo es el método común y principal.

Principios básicos de la selección del disipador de calor del semiconductor del interruptor de alimentación

(1) Base básica para la selección del disipador de calor

La elección del disipador de calor para los dispositivos semiconductores de potencia se debe considerar exhaustivamente de acuerdo con la potencia disipada del dispositivo, la resistencia térmica de unión a caja del dispositivo, la resistencia térmica de contacto y la temperatura del medio de refrigeración.

(2) Requisitos para la fuerza de sujeción entre el dispositivo y el disipador de calor

Para tener un buen contacto térmico entre el dispositivo y el disipador de calor después del montaje, debe tener una fuerza de instalación o un par de instalación adecuados. Y en aplicaciones prácticas, generalmente se agrega una capa de material termoconductor entre el dispositivo y el disipador de calor para mejorar su eficiencia de transferencia de calor y reducir la resistencia térmica entre los dos.

(3) Condiciones nominales de enfriamiento del radiador

Radiador autoenfriador: la temperatura ambiente preferiblemente no debe ser superior a 40 grados, las aletas del radiador deben colocarse verticalmente durante la instalación, y las caras de los extremos superior e inferior no deben bloquearse, de modo que haya un buen ambiente y un canal para la circulación natural. convección de aire alrededor del radiador.

Radiador enfriado por aire: la temperatura del aire de entrada se controla por debajo de 40 grados y la velocidad del viento en el extremo de entrada es preferiblemente de 6 m/s.

Radiador de refrigeración por agua: la temperatura del agua de entrada no supera los 35 grados. El caudal de agua se determina de acuerdo con el requisito de calor total para la disipación de calor y la diferencia de temperatura de diseño entre el agua de entrada y salida.

(4) Consideración integral de la selección de radiadores.

La selección de radiadores debe considerar exhaustivamente el rango de capacidad de disipación de calor, el método de enfriamiento, los parámetros técnicos y las características estructurales del radiador. Para un dispositivo solo desde los parámetros técnicos, puede haber dos o tres radiadores que puedan cumplir con los requisitos, pero deben combinarse con refrigeración e instalación. , la intercambiabilidad general y la economía se seleccionan exhaustivamente.

2. Refrigeración por aire natural con ventilador y refrigeración por aire forzado

En el proceso de diseño real de la fuente de alimentación conmutada, generalmente se utilizan dos formas de refrigeración por aire natural y refrigeración por aire forzado por ventilador. Al instalar el disipador de calor enfriado por aire natural, las aspas del disipador de calor deben colocarse verticalmente hacia arriba. Si es posible, se pueden perforar varios orificios de ventilación alrededor de la posición de instalación del disipador de calor en la PCB para facilitar la convección del aire.

El enfriamiento por aire forzado utiliza un ventilador para forzar la convección del aire. Por lo tanto, en el diseño del conducto de aire, la dirección axial de las aspas del disipador de calor debe ser consistente con la dirección de escape del ventilador. Para tener un buen efecto de ventilación, los dispositivos con mayor disipación de calor deben estar más cerca Ventilador de extracción, en el caso de un ventilador de extracción, la resistencia térmica del disipador de calor se muestra en la siguiente tabla:

4. Placa de circuito impreso metálica

Con la miniaturización de las fuentes de alimentación conmutadas, los componentes de montaje en superficie se utilizan ampliamente en productos reales y es difícil instalar disipadores de calor en dispositivos de alimentación en este momento. En la actualidad, para superar este problema, los PCB metálicos se utilizan principalmente como portadores de dispositivos de potencia, incluidos principalmente laminados revestidos de cobre a base de aluminio y laminados revestidos de cobre a base de hierro. Hay otra PCB con núcleo de cobre. La capa intermedia del sustrato es una capa de aislamiento de placa de cobre, que adopta una lámina de unión de tela de fibra de vidrio epoxi de alta conductividad térmica o una resina epoxi de alta conductividad térmica. Puede montar componentes smd en ambos lados, y los componentes smd de alta potencia pueden soldar el propio disipador de calor del smd directamente en la PCB de metal y usar la placa de metal en la PCB de metal para disipar el calor.

5. Diseño de elementos calefactores.

Los principales elementos calefactores de la fuente de alimentación conmutada son semiconductores de alta potencia y sus radiadores, transformadores de conversión de potencia y resistencias de alta potencia. El requisito básico para la disposición de los elementos calefactores es organizarlos de pequeños a grandes según el grado de generación de calor. Cuanto menor sea el poder calorífico, mayor será la dirección del viento del conducto de aire de la fuente de alimentación de conmutación, más cerca del escape estará el dispositivo con el mayor valor calorífico. admirador.

Con el fin de mejorar la eficiencia de la producción, a menudo se fijan varios dispositivos de alimentación en el mismo disipador de calor grande. En este momento, el disipador de calor debe colocarse lo más cerca posible del borde de la PCB. Sin embargo, debe haber al menos una distancia de más de 1 cm desde la carcasa u otras partes de la fuente de alimentación conmutada. Si hay varios disipadores de calor grandes en una placa de circuito, deben estar paralelos entre sí y paralelos a la dirección del viento del conducto de aire. En la dirección vertical, los dispositivos con poca generación de calor están dispuestos en la capa más baja y los dispositivos con gran generación de calor están dispuestos en las capas superiores. Los componentes que generan calor deben colocarse lo más lejos posible de los componentes sensibles a la temperatura, como los condensadores electrolíticos, en el diseño de PCB.

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