前言：開(kāi)關(guān)電源已普遍運(yùn)用在當(dāng)前的各類電子設(shè)備上，其單位功率密度也在不斷地提高。高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3。為提高開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性，熱設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。

開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的溫升過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性就要下降10％；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25°C時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開(kāi)關(guān)電源有大功率的發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一。

一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一是如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二是如何將發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，使開(kāi)關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開(kāi)關(guān)電源的可靠性。下面跨越小編就從以上兩個(gè)方面給大家詳解。

一、控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同的元器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且還可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）。而開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開(kāi)關(guān)管的損耗由開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成。因此，控制降低發(fā)熱量可以有以下措施進(jìn)行解決。

1、減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗。

2、開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開(kāi)關(guān)時(shí)間引起的，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少。

3、更為重要的是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗，如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。

4、減小功率二極管的發(fā)熱量，對(duì)交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì)有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗，可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗。

5、對(duì)于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。

6、對(duì)于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應(yīng)，對(duì)于趨膚效應(yīng)造成的影響，可采用多股細(xì)漆包線并繞的辦法來(lái)解決。

二、開(kāi)關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)

為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去，一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮開(kāi)關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)： 散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬pcb、導(dǎo)熱硅脂（導(dǎo)熱膏）等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要針對(duì)客戶以及產(chǎn)品本身的要求及最佳費(fèi)效比合理地將上述幾種方法綜合運(yùn)用到電源的設(shè)計(jì)中。

1、半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)

由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開(kāi)關(guān)電源中占主導(dǎo)地位，其熱量主要來(lái)源于半導(dǎo)體器件的開(kāi)通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗。從電路拓?fù)浞绞缴蟻?lái)講，采用零開(kāi)關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過(guò)零時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷可最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗，但也無(wú)法徹底消除開(kāi)關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法。

電源開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體散熱器選擇的基本原則

（1）散熱器選擇的基本依據(jù)

電力半導(dǎo)體器件的散熱器選擇要綜合根據(jù)器件的耗散功率、器件結(jié)殼熱阻、接觸熱阻以及冷卻介質(zhì)溫度來(lái)考慮。

（2）器件與散熱器緊固力的要求

要使器件與散熱器組裝后有良好的熱接觸，必須具有合適的安裝力或安裝力矩，其值由器件制造廠或器件標(biāo)準(zhǔn)給出，組裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守不要超出規(guī)定的范圍。并且在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)在器件與散熱器之間添加一層導(dǎo)熱介質(zhì)材料提高其傳熱效率，降低兩者間的熱阻（如：導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅脂）。

（3）散熱器的額定冷卻條件

自冷散熱器：環(huán)境溫度最好不高于40℃，安裝時(shí)散熱器翼片要垂直布置，上下端面不能有阻擋，以便散熱器周圍有良好的空氣自然對(duì)流的環(huán)境和通道。

風(fēng)冷散熱器：進(jìn)口空氣溫度控制在40℃以下，進(jìn)口端風(fēng)速最好達(dá)到6米/秒。

水冷散熱器：進(jìn)口水溫不高于35℃。水流量要根據(jù)散熱總熱量需要和進(jìn)出水設(shè)計(jì)溫差決定。

（4）選用散熱器的綜合考慮

選用散熱器應(yīng)綜合考慮散熱器的散熱能力范圍、冷卻方式、技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一種器件僅從技術(shù)參數(shù)看，可能有兩、三種散熱器均能滿足要求，但應(yīng)結(jié)合冷卻、安裝、通用互換和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮選取。

2、風(fēng)扇自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷

在開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷二種形式。自然風(fēng)冷的散熱片安裝時(shí)應(yīng)使散熱片的葉片豎直向上放置，若有可能則可在pcb上散熱片安裝位置的周圍鉆幾個(gè)通氣孔便于空氣的對(duì)流。

強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)流，所以在風(fēng)道的設(shè)計(jì)上同樣應(yīng)使散熱片的葉片軸向與風(fēng)扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風(fēng)效果越是散熱量大的器件越應(yīng)靠近排氣風(fēng)扇，在有排氣風(fēng)扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：

4、金屬PCB

隨著開(kāi)關(guān)電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品中，這時(shí)散熱片難于安裝到功率器件上。當(dāng)前克服該問(wèn)題主要采取金屬PCB作為功率器件的載體，主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬PCB的散熱性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的PCB且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯PCB，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導(dǎo)熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，它是可以雙面貼裝smd元件，大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬PCB上，利用金屬PCB中的金屬板來(lái)散熱。

（銅芯PCB焊接smd元件散熱）

5、發(fā)熱元件的布局

開(kāi)關(guān)電源中主要發(fā)熱元件有大功率半導(dǎo)體及其散熱器，功率變換變壓器，大功率電阻。發(fā)熱元件的布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小，由小到大排列，發(fā)熱量越小的器件越要排在開(kāi)關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇。

為了提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將多個(gè)功率器件固定在同一個(gè)大散熱器上，這時(shí)應(yīng)盡量使散熱片靠近PCB的邊緣放置。但與開(kāi)關(guān)電源的外殼或其它部件至少應(yīng)留有1cm以上的距離。若在一塊電路板中有幾塊大的散熱器則它們之間應(yīng)平行且與風(fēng)道的風(fēng)向平行。在垂直方向上則發(fā)熱小的器件排在最低層而發(fā)熱大的器件排在較高處。

發(fā)熱器件在PCB的布局上同時(shí)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對(duì)溫度敏感的元器件，如電解電容等。