平板電視電源熱設計研究

唐光友

摘 要 電子產品及其器件的溫度對產品的可靠性有重要影響，不同等級的溫度要求對產品成本將產生巨大影響。電源模塊中導熱、對流和輻射三種熱交換方式同時存在，自然對流交換的熱量達80%以上。分析電源模塊中熱量產生的機理，從方案原理優化，輔助散熱增強等方面，系統優化電源散熱管理，以強化產品可靠性及競爭力。

關鍵詞 電源；導熱；對流；輻射；輔助散熱；散熱器

中圖分類號 TN94 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）195-0025-02

1 熱設計的重要性

有研究表明，溫度是引起電子設備故障的主要原因，在潮濕、粉塵、振動、溫度等幾項引起電子設備故障的主要原因中，與溫度相關的故障原因占比達55%。另外，電子行業的10℃法則告訴我們：當芯片結溫（Junction Temperature）在-20℃～140℃之間，芯片溫度每降低10℃芯片失效率降低1倍。由此可見電子產品及其器件的溫度對產品的可靠性有重要影響，不同等級的溫度要求對產品成本也將產生巨大影響，因此，對電子產品的熱設計進行研究探索的工作顯得意義重大。

2 理論探索

2.1 熱量之傳遞：溫度差是熱量傳遞之根本原因

熱量的傳遞存在兩個特點，第一個是熱量總是從溫度高的區域流向溫度低的區域，第二個是釋放的熱量等于吸收的熱量。

熱量的傳遞途徑有3種方式，分別是導熱、對流傳熱和輻射傳熱。在一個熱管理系統中，3種熱傳遞方式通常是同時存在的。對于個體的散熱管理系統，通常設計一種或兩種散熱方式起主導作用。在對系統研究時，應充分考慮系統的應用場景、可靠性要求、成本控制等進行主要散熱方式選擇設計。

2.2 導熱

熱學第一定律即傅立葉定律：通過特定截面的熱流量與該截面積成正比，也與溫度變化率成正比。

Q ——傳導的熱量，單位W

K——導熱系數，單位W/（m·℃），屬物性

參數

A——導體橫截面積，單位m2

⊿t——傳熱路徑兩端溫差，單位℃

L——傳熱路徑長度，單位m

從公式可以看出，一種材料的導熱系數和熱交換量成正比。因此在導熱設計時，可采用高導熱系數材料來增強換熱效果。

2.3 對流

對流換熱：流體流過物體表面時發生的熱量交換過程稱為對流換熱。流體的流動不是由設計的外力引導發生的稱為自然對流。流體的運動由設計的外力引導發生的稱為強制對流。對流換熱可定量為：

Q——對流換熱量，單位 W

hc——換熱系數，單位W/（m2·℃）

A——有效換熱面積，單位m2

⊿t——換熱表面與流體溫差，單位℃

從公式可以看出，對流換熱量與有效換熱面積、換熱系數和溫差直接相關。換熱系數是一個綜合變量，它的數值與表面的粗糙度、表面和流體的相對熱特性、流速、流向等因數有關。有效換熱面積可采用增加散熱器葉片數量等結構方式獲得，但增加換熱表面積需要考慮不影響換熱系數為限，需要實際測試驗證。

2.4 輻射

輻射：物體以電磁波形式傳遞能量的過程。輻射能在真空中傳遞能量，且有能量形式的轉換，即熱能轉換為輻射能及從輻射能轉換成熱能。

Q——輻射散熱量，W；

e——散熱表面的黑度；

s——斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67?10-8（W/m2·K4）；

T1、T2——分別為物體和環境的絕對溫度，K。

輻射換熱常常在自然對流系統或者有太陽輻射環境（室外或者太空）中考慮。增強輻射換熱效果的主要方法對表面進行氧化處理（如黑色陽極氧化），以提高換熱表面的黑度。

2.5 電源模塊換熱方式解析

實際上電源模塊中3種熱交換方式是同時存在的，只是根據工程需要對其中某一種換熱進行強化處理，電源模塊中80%以上的熱量是通過自然對流方式傳遞到空氣中，導熱作為一種重要的熱交換方式存在于每一條熱路中，輻射傳熱在整個模塊中的換熱量為10%左右。圖1簡述了電源模塊中熱量的幾種傳遞方式。

3 電源模塊熱分析及溫度控制

3.1 電源熱量的產生

開關電源在進行電壓變換的工作過程中會存在功率損失，損失的功率可視為電路中各器件工作過程的熱量輸出，因此電源模塊的熱耗等于功率損失，即電源輸入功率與輸出功率之差。

3.2 電源熱量分布

開關電源在工作過程中，電壓變換電路的功率損失主要集中在功率開關和輸出整流部分，這兩部分的功率損失占整個電源功率損失約90%，另外磁性器件和其它電路各占電源功率損失的5%。圖3概述了開關電源中各種功率損失的類型。

3.3 電源產品溫度控制

1）電路方案優化。優化電路方案的目的在于提高電源轉換效率，降低損耗，可以通過以下方式優化：（1）減少或消除開關期間的電壓電流乘積，在基本PWM變換器內的這種波形微調使電源的效率增加5%～10%。（2）改進半導體器件和鐵氧體磁材料，使開關頻率提高，效率比雙極型晶體管的設計提高了5%～10%。（3）降低主要損耗的各種技術：無損吸收電路、有源鉗位電路、準諧振改進電路。

2）增加輔助散熱。根據對功率損耗的評估，合理制定輔助散熱方案，輔助散熱方案的選用對產品可靠性及成本控制有重要影響，需要重點研究。目前平板電視電源產品主要以自然風冷方式進行輔助散熱，這一方式結構簡單、可靠，成本低，適合于低密度熱流系統。以下是列舉概述一些常用的輔助散熱方法：（1）自然風冷：散熱器散熱，結構簡單，成本低，可靠性高，適合于低熱流密度系統。（2）強迫風冷：風機+散熱器散熱，散熱能力較好，用于較大熱流密度系統。（3）熱管+風冷：熱管+散熱器或熱管+風機+散熱器散熱，散熱能力強，用于較大熱流密度而內部空間受限的系統。（4）其它散熱系統。（5）冷板、沸騰換熱、微通道換熱、微槽群沸騰換熱等。

3.4 散熱器優化設計——散熱器優化設計目標：最低的熱阻、最好的換熱效果

自然風冷條件下，散熱器的設計選用顯得更為重要，對散熱器優化設計的目標是發揮材料的最大換熱能力，提升散熱器性價比。以下為一些散熱器優化設計方法：（1）自然對流換熱系統中，對散熱器進行表面氧化處理，提高表面黑度，能有效增加輻射換熱能力。（2）采用導熱系數優良的材料，如純鋁6063、銅1100等。（3）優化設計散熱器鰭片寬度及間距尺寸，提高有效散熱面積。（4）在散熱鰭片表面增加波紋，增強氣流擾動，可以提高換熱能力。（5）增大散熱器基板厚度，可以提高抗熱沖擊能力。

4 結論

總之，開關電源的熱設計研究是一項涉及多學科知識的工作，需要扎實的理論知識作為指導，同時熱設計研究又具有很強的實踐性，需要不斷的經驗積累，在實踐中總結，總結中不斷改進和完善。

參考文獻

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