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详谈线性直流电源的热设计,需要注意哪些方面

2021年04月26日 18:02 次阅读

在调试或维修线性直流电源电路时,我们经常说“ **烧毁”。 **可以是电阻保险丝或芯片。很少有人会探究这个词的用法。为什么用“烧了”代替“坏”?原因是在线性直流电源产品中,热故障是最常见的故障模式,它转换为电流过载,局部空间中的短期大电流。有了热量,不容易消散热量,局部温度急剧上升。同样,如果温度过高,导电铜皮,电线和设备本身也会烧坏。因此,大多数电气故障是热故障。

其次,如果假定电流过载严重,但组件的散热良好,并且可以将温升控制在很低的范围内,那么设备会发生故障吗?答案是肯定的。

如果要提高线性直流电源产品的可靠性,另一方面,可以提高设备和组件的耐高温特性,并承受更大的热应力(环境温度或过载等)。它增强了散热能力,散发了环境温度和过载带来的所有热量,并提高了产品可靠性。下面介绍传统的热设计方法。

我们的线性直流电源中常用的是散热器和风扇散热方法。散热程度可能不足,或者散热可能过多。最佳吗?它可以基于热流。密度用于评估,热流密度=热量/热通道面积。

根据《GJB/Z27-92 线性直流电源设备可靠性热设计手册》(参见图1),根据可接受的温升要求和计算出的热通量密度,可以获得可接受的散热方法。例如,温度上升为40°C(垂直轴),热通量密度为0.04 W/cm2(水平轴)。找到如下所示的交点,然后进入自然冷却区,自然对流和辐射可以满足设计要求。

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大多数散热设计都适用于上表,因为散热基本上是由于表面散热造成的。但是,对于密封设备,必须使用体积功率密度来估算热功率密度=热/体积。下图(图2)显示了当温度升高要求不超过40°C时,不同体积功率密度的散热模式。例如,功率调节芯片的热量消耗为0.01W,体积为0.125cm3,体积功率密度为0.1 / 0.125 = 0.08W / cm3。如果您看下图,您会发现金属传导冷却符合要求。

根据上图,冷却方式的选择顺序为自然冷却-热传导强制空气冷却-液体冷却-蒸发冷却。通过传导,辐射,自然对流等冷却方式,体积功率密度小于0.122W/cm3,强制风冷为0.122-0.43W/cm3,液冷为0.43-0.6W/cm3,0.6W/cm3,超过了蒸发冷却。当需要40°C时,这是推荐的标准值。如果温度低于40°C,则需要降低散热方法。如果温度升高为0.122,则需要强制风冷,如果温度升高非常低,请选择液体冷却或蒸发冷却。

一些问题需要注意。是否有强制风冷以满足散热要求?您可以自由选择风扇的速度。有些工作就像在说您可以处理大学的知识水平。风扇速度与气流速率直接相关。这是一个新概念,即热阻。

热阻=温差/热量消耗(单位:°C/W)

热阻越小,热导率越高。这个概念对应于抵抗。两端之间的温差类似于电压,并且热传导类似于电流。空气导管的热阻包括流体力学计算。如果热设计要求不高,则可以通过估算或实验来获得。如果要求非常严格,请参见“ GJB / Z27”。 -92线性直流电源的可靠性热设计手册包含系数和假设的许多组合。一言以蔽之。我不知道如何将各个系数与实际的风管设计结合起来。例如,风管内有许多电缆,风管壁不均匀。金属板是带有不均匀皮带装置的线性直流电源电路板。有些系数只能估算。相反,它是最准确的实验测量方法。

选择散热器时,热阻更大,大多数制造商可以提供此参数。例如,芯片的功耗为20W,芯片表面不能超过85°C,最高环境温度为55°C。计算所需的散热器热阻R。

计算:散热器和芯片之间的实际热阻约为0.1°C/W,则(R + 0.1)=(85-55)°C/20W,则R = 1.4°C/W。根据该值选择散热器。

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请注意这里的问题。该计算默认为热量消耗≈芯片功率。对于典型的芯片,该芯片没有驱动机制,也没有其他能量转换机会,因此可以通过这种方式进行估算。受热。电源转换芯片和模块不是这种情况。例如,电源是能量输出。输入功率的一部分转换为热量,大部分转换为电能输出。此时,它不被视为热量。消耗≈功率。

以上是定量设计的内容。在定量设计指南之后,还有一些特定的工程技能可以帮助您达到理论计算结果的要求,共有三种常见的热设计思想:降耗、导热、布局。

降耗是是为了防止热量产生,导热是为了将热量传导出去不受影响,布局是热也没有散掉,而是通过措施将热敏设备隔离开。它有点像电磁兼容性方面针对发射源、传播路径和敏感设备措施。

降耗是最原始和最基本的解决方案。降额和低功耗设计方案是两种主要方法。低功耗方案需要结合特定的设计进行分析,因此不再赘述。选择设备时,请使用片式电阻器,绕组电阻器(较少的碳膜电阻器),单片电容器钽电容器(较少的纸介电电容器),MOS,CMOS线性直流电源电路(使用锗管)。指示灯使用发光二极管或LCD屏幕(白炽灯较少),表面安装设备等。除了选择低功率器件外,温度补偿和某些对温度敏感的特殊组件的控制也是解决该问题的方法之一,尤其是线性直流电源的主要组件(例如电容和电阻放大)。定量测量。电路。

降额是减少消耗的最重要方法。假设细电线可以承载10A的标称电流,则该电流将产生更多的热量。增粗电线以增加余量,并让20A额定电流通过。当电流为10A时,由于内阻引起的热损失减少,并且热量减少。另外,当环境温度由于降额而升高时,性能劣化,但是存在裕度,使得即使性能劣化也可以满足要求。这也是通过降低额定值以及另一篇博客文章的内容来提高可靠性的效果。

导热的设计规格很多,因此请选择一些更通用的规格。

1、进风口与出风口之间的通风路径必须穿过整个散热通道。通常,进气口位于机箱的下角,而出风口位于机箱的顶部(最远的对称角)。

2、请勿在机箱顶部或面板上打开通风孔和排气孔。

3、进气管的截面积必须大于每个分支空气管的截面积之和,以防止空气回流。

4、对靠近热源的热组件使用物理绝缘或隔热材料。石棉板,硅橡胶,泡沫塑料,环氧玻璃纤维板,金属板以及浸有金属膜的陶瓷也可以用作隔热板。

5、将耗散超过1w的零件安装到基座上,如果基座由金属制成的导热材料制成,请使用底板作为设备的散热器。

6、热管应安装在热源上方,热管与水平面的夹角应大于30度。

7、由于PCB使用多层板结构(对于EMC也具有巨大优势),因此电源线或地线位于线性DC电源电路板的顶层或底层。

8、热源设备是在印刷电路板上专门设计的,并且已密封,绝缘,接地并经过散热处理。

9、散热器(散热器,散热器,风扇)使用降低热阻的方法。

(1)扩大辐射区域并增加加热元件的黑度。

(2)提高了接触表面的加工精度,并增加了与柔软可延展的导热材料的接触压力或接触垫。

(3)散热器叶片必须垂直打印。

(4)大型热源装置的散热装置直接安装在壳体上。

10、密封线性直流电源的内部和外部均涂有黑色涂料,以帮助散热。为了防止辐射热影响热敏元件,由于热源护罩内表面的辐射容量导热散热,它必须坚固(黑色)且在外部光滑(不影响热敏元件)。封面,有。

11、密封线性直流电源外壳内侧和外侧的肋增加了对流和辐射的面积。

12、请勿重复使用冷却空气。

13、为了提高主加热元件的热交换效率,可以将加热元件安装在形状相似的空气导管中。

14、鼓风冷却方法的选择。

15、风扇选择。

16、在散热器之间填充散热器之间的导热膏(油脂),以降低接触热阻。

17、散热器之间的接触应良好,接触表面应平整,接触表面粗糙度应为Ra≤6.3μm。

18、辐射是在真空中传递热量的唯一方法。 (1)确保热源的发射率高。如果热源是嵌入式的,请使用金属传热装置将其传递到冷却系统。 (2)增加辐射的黑度ε。 (3)增加辐射面积s。(4)散热器必须相对于吸收器具有良好的视角。换句话说,角度系数φ必须很大。 (5)不想吸收热量的区域应具有光滑的壁并易于反射热量。

19、机壳表面温度不高于环境温度10°C;

20、有关液体冷却设计的注意事项;

21、半导体冻结适用于以下应用...

22、变压器电感器的热设计检验项目。

23、减少强制对流热阻的措施。

24、降低接触热阻的措施。

......

布局:

1、降低组件布局热阻的措施:

(1)将组件安装在最佳自然散热位置。

(2)组件的热流路径应短,横截面积应大,并且通道中不应有绝缘或绝缘。

(3)分散安装加热元件。

(4)将零件垂直放置在印刷电路板上。

2、减少组件散发的热量:

(1)带排气口的沙在系统内部,线性直流电源电路的安装必须遵循气流的方向:进气口→放大线性直流电源电路→逻辑线性直流电源电路→高灵敏度线性直流电源电路→集成线性直流电电源电路→低功率电阻线性直流电源电路→带有加热元件的线性直流电源电路→出风口,以形成良好的散热通道。

(2)加热组件必须位于机箱上方,而热组件必须位于机箱下方。使用机箱的金属外壳作为散热器。

3、合理的布局准则:

(1)安装散热良好的零件,例如在通风口附近。

(2)将加热元件安装在热源下方。组件安装方向的侧面平行于风向,并促进热对流。

(3)在自然对流中,必须使热流路尽可能短,并且使截面积尽可能大。

(4)如果冷空气流量不大,则将组件排成一排以增加湍流度并增强散热效果。

(5)如果加热元件未安装在外壳上,则加热元件与外壳之间的距离必须超过35-40厘米。

4、用于冷却内部组件的进气口必须配备一个过滤器装置,该装置可以在不拆卸外壳的情况下进行更换或清洗。

5、这种设计避免了设备工作热环境的稳定性,并减少了由热循环和冲击引起的热应力变化。温度变化率不超过1°C/min,温度变化范围不超过20°C。制造商可以逐个产品地调整此度量标准要求。

6、组件冷却剂和冷却方法必须与所选的冷却系统和组件兼容,以避免引起化学反应或电解腐蚀。

7、冷却系统功率通常为所需冷却热量的3%至6%。

8、在冷却过程中,空气流中含有水分,并且温差过大,导致冷凝和粘附,防止由于水分和其他污染物引起的电路短路,从而减少电气间隙和腐蚀。对策:1确保冷却前后的温差不要太大。 2如果温度差太大,则会发生凝结,并且水不会阻塞或停滞。如果水停滞了,则停滞区域中的材料将不会腐蚀。 4对于裸露的导电金属,请使用热缩管或其他屏蔽和绝缘措施。

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