AC/DC开关电源的冲击电流控制和散热设计研究

摘要

通过对ＡＣ／ＤＣ开关电源的冲击电流控制和散热设计研究，可进一步表明电源的冲击电流控制和散热结构设计是决定产品质量的关键，采用升／降压横流电路优化设计可提高电源的使用效率，减少电源热能的消耗，进一步提高了光电转换效率。通过对散热结构优化设计、散热材料优化选取以及通过热管和均温板的散热方式设计可大幅度提高开关电源的散热效率。

目前，综合航电系统仍将向着更加综合化、信息化、技术化、模块化及智能化的方向发展，并且综合航电系统的功能、性能以及可靠性、维修性、保障性、测试性和综合效能也将出现突破性的飞跃。而航电ＡＣ／ＤＣ开关电源是航电系统的一个重要组成部分，与战斗机的作战性能密切相关。可以说，没有高性能的航电系统，就不可能有高效能作战的战斗机。本文就航电ＡＣ／ＤＣ开关电源的冲击电流控制和散热设计作进一步的研究和探讨。

２ＡＣ／ＤＣ开关电源的冲击电流控制

开关电源的输入一般有滤波器来减小电源反馈到输入的纹波，输入滤波器一般有电容和电感组成Π形滤波器，图１为典型的ＡＣ／ＤＣ电源输入电路。

由于电容器在瞬态时可以看成是短路的，当开关电源上电时，会产生非常大的冲击电流，冲击电流的幅度要比稳态工作电流大很多，如对冲击电流不加以限制，不但会烧坏保险丝，烧毁接插件，还会由于共同输入阻抗而干扰附近的电器设备。

２．１冲击电流

冲击电流的大小由很多因素决定，如输入电压大小，输入电线阻抗，电源内部输入电感及等效阻抗，输入电容等效串连阻抗等。这些参数根据不同的电源系统和布局不同而不同，很难进行估算，最精确的方法是在实际应用中测量冲击电流的大小。在测量冲击电流时，不能因引入传感器而改变冲击电流的大小，推荐用的传感器为霍尔传感器。图２为航电通信系统用ＡＣ／ＤＣ电源供电时的最大冲击电流限值。

２．２限制方法

１）串连电阻法。

对于小功率开关电源，可以用像图３的串连电阻法。如果电阻选得大，冲击电流就小，但在电阻上的功耗就大，所以必须选择折衷的电阻值，使冲击电流和电阻上的功耗都在允许的范围之内

串连在电路上的电阻必须能承受在开机时的高电压和大电流，大额定电流的电阻在这种应用中比较适合，常用的为线绕电阻，但在高湿度的环境下，则不要用线绕电阻。因线绕电阻在高湿度环境下，瞬态热应力和绕线的膨胀会降低保护层的作用，会因湿气入侵而引起电阻损坏。

２）热敏电阻法。

在小功率开关电源中，负温度系数热敏电阻（ＮＴＣ）常用在图３中Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３位置。在开关电源第一次启动时，ＮＴＣ的电阻值很大，可限制冲击电流，随着ＮＴＣ的自身发热，其电阻值变小，使其在工作状态时的功耗减小。

用热敏电阻法也有缺点，当第一次启动后，热敏电阻要过一会儿才到达其工作状态电阻值，如果这时的输入电压在电源可以工作的最小值附近，刚启动时由于热敏电阻阻值还较大，它的压降较大，电源就可能工作在打嗝状态。另外，当开关电源关掉后，热敏电阻需要一段冷却时间来将阻值升高到常温态以备下一次启动，冷却时间根据器件、安装方式、环境温度的不同而不同，一般为１分钟。如果开关电源关掉后马上开启，热敏电阻还没有变冷，这时对冲击电流失去限制作用，这就是在使用这种方法控制冲击电流的电源不允许在关掉后马上开启的原因。

３ＡＣ／ＤＣ开关电源的散热设计

３．１散热特性分析

ＡＣ／ＤＣ开关电源工作时的温度较高，如果热量不能及时有效地散发出去，不仅影响开关电源的正常工作，还会缩短电源的寿命。

解决ＡＣ／ＤＣ开关电源散热问题实际就是通过设计合理的散热结构，改善传统的散热条件，有效控制ＡＣ／ＤＣ开关电源的结温。在ＡＣ／ＤＣ开关电源散热设计过程中主要考虑两方面散热问题，一是电源内部的散热能力，二是电源对外部环境的散热能力。其散热主要通过热传导和热对流实现。

３．２散热方式

散热的主要方式可分为散热片散热、自然对流散热、热管散热和风扇散热等方式。

在散热片散热方式中，热量通过热传导来传递，遵循傅里叶定律：

其中ｑ为热流密度（Ｗ／ｍ２），ｋ为导热系数（Ｗ／ｍ·Ｋ），“－”表示热量流向温度降低的方向。

热对流是指固体表面与它周围接触的流体之间因为热差的存在而引起的热量交换。热对流可以分为两种，即自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：

式中，ｈ为对流换热系数，Ｔ１为固体表面的温度，Ｔ２为周围流体的温度。

热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比值，热阻可表示为

式中，Ｒ 为热阻，ＴＪ为结温参考点温度，Ｔｘ为测试参考点温度，Ｐｈ为热耗功率。

３．３散热片结构优化设计

ＡＣ／ＤＣ开关电源使用最多的是通过散热片散热，散热片是利用较大的散热面积来对流散热，对于散热片而言，形状、加工工艺、尺寸及材料是决定散热性能的几个重要因素。

图４为散热片结构示意图。散热片主要尺寸包括翅片厚度Ｗ 、翅片间距Ｌ、翅片高度Ｈ 及底板厚度Ｆ。

随着翅片的高度增加，结温也随着翅片改变而改变，可见适当增加翅片高度对于结温的降低作用很大，经过反复试验验证，当Ｈ＝６０ｍｍ时，结温效果最好，当Ｗ ＝２ｍｍ、Ｌ＝６ｍｍ、Ｆ＝６ｍｍ 时，散热效果达到最优，此时结温可将为８０℃以下，结构优化设计效果明显。

３．４加装热管优化设计

热管是一种优良的导热元件，内部有吸液芯和冷凝液，通过液气转换的循环变化，将电源发出的热量导出并通过散热器散发掉。热管换热主要分为蒸发段、传热段和冷凝段三个部分，材质采用紫铜，管内填有高真空状态的工质（纯水或其它液态物质）。热管的特点是能够将热量传输到较远的、容易散热的位置，在实际应用中导热更加方便。

通过加装热管后，热管把电源散发的热量传导到远端，远端散热装置可以通过风扇等方式把热量快速带走，使热传导方式变得更加灵活。

３．５加装风扇和均温板优化设计

风扇属于风冷强制散热，可较大幅度地提高散热片散热效果，在翅片垂直端面上分别加装轴流风扇，加装风量大于０．０２ｋｇ／ｓ型风扇散热效果明显。

均温板的原理与热管相似，但是热管的传热是一维单向，而均温板是二维的面传热方式，均温板可以使热量分散，降低扩散热阻，散热片采用均温板材料制成，会使散热片在平面上均匀散热，降温效果会更加明显。

４结语

通过对ＡＣ／ＤＣ开关电源的冲击电流控制和散热设计研究，可进一步表明电源的冲击电流控制和散热结构设计是决定产品质量的关键，采用升／降压横流电路优化设计可提高电源的使用效率，减少电源热能的消耗，进一步提高了光电转换效率。通过对散热结构优化设计、散热材料优化选取以及通过热管和均温板的散热方式设计可大幅度提高开关电源的散热效率。