浅析高频开关电源的热设计

得很近，而电解电容对温度极为敏感。因此很有必要降低假负载的发热量。比较可行的办法是将假负载设计成阻抗可变方式。通过对开关电源输出电流的检测来控制假负载阻抗的大小，当电源处于正常负载时，假负载退出消耗电流状态；空载时，假负载消耗电流最大。这样既不会影响电源空载时的稳定性，也不会降低电源的效率和产生大量不必要的热量。

3 散热设计

3.1 散热的基本方式及其计算方法

散热有三种基本方式：热传导、对流换热和热辐射。

1）热传导 靠物体直接接触或物体内部各部分之间发生的传热即是热传导。其机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间、分子动能的相互传递。热传导与电流的概念非常类似，热量总是从温度高的地方传导到温度低的地方，热传导过程中有热阻存在如同电流流动过程中有电阻一样。其热流量Φ=[W]，式中Rt为热阻，τ为温度差。而热阻Rt=[K/W]，式中δ为导体厚度，λ为热导率，A为导体截面积。这样，在开关电源设计中，可以由发热源的耗散功率，求出温升τ=ΦRt。由于实际应用中，热流量从热源出发到达散热器往往要经过几种不同材料的热导体，即存在不同热阻的串联，在计算时，总热阻为多个热阻的和。

2）对流换热 热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来填充，填充过来的流体吸热膨胀向上流动，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量，这一过程称为对流换热。对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A为与流体接触的壁面面积[m2]，α为对流换热系数，θ1为壁面温度[K]，θ2为流体平均温度[K]。由此可见，热流量Φ与对流换热系数α，截面积A及固体表面与流体的温度差（θ1－θ2）的乘积成正比。对流换热是一种复杂的热传递过程，它不仅决定于热的过程，而且决定于气体的动力学过程。简单地说，影响对流换热的因素有两个方面：（1）流体的物理性质，如密度、粘度、膨胀系数、热导率、比热等；（2）流体的流动情况，是自然对流还是强迫对流，是层流还是紊流。因为层流时，热传递主要依靠互不相干的流层之间导热；而紊流时，则在紧贴壁面的层流底层之外，流体产生漩涡加强了热传递作用。一般而言，在其它条件相同情况下，紊流的换热系数比层流的换热系数大好几倍，甚至更多。

3）热辐射 由于温差引起的电磁波传播称为热辐射。它的过程比热传导和对流换热复杂得多。它是将物体的一部分热能转换成电磁波的能量，通过能传递电磁波的介质如空气、真空等，向四周传播出去，当遇到其它物体时，则一部分被吸收再转化为热能，剩下的则被反射回来。各种物体所散发出来的红外线，即是热辐射的一种。在真空或空气中，物体辐射出去的辐射能力Φ，决定于物体的性质、表面状况（如颜色、粗糙度等）、表面积大小及表面温度等。Φ=εσbA(T14－T24)其中σb为波尔兹曼常数，值为5.67×10－8，A为辐射表面积[m2]，T为两物体表面的绝对温度[K],ε为表面黑度。物体表面颜色越深，越粗糙，辐射能力越强。

3.2 开关电源中各发热源的主要散热方式

开关电源中各发热源，如整流桥、功率开关管、快恢复二极管、磁性元件以及作为假负载的大功率电阻等，这些元器件所产生的热量必须设法散发出去，一般热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热。即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过热传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱。实际的散热情况为三种传热方式的综合，可以用牛顿公式来统一表达：Φ=KSτ，其中S为散热表面积，K为表面散热系数。表面散热系数通常由试验确定，在一般的工程流体力学中有数据可查。它把传热的三种形式全部统一起来了。

通过Φ=KSτ，我们可以在计算出耗散功率以后，根据允许温升τ来确定散热表面积S，并由此而确定所要选用的散热器。这种计算对于提高开关电源的可靠性、功率密度、性价比等都有着重要意义。在相当多的情况下，生产厂家为了降低电源模块的成本，往往采用通用型的散热器，这些散热器的设计并不一定非常合适。对于特定的要求高可靠性的通信用高频开关电源来说，有针对性地设计专门的散热器就显得很重要。例如新西兰的一种用于通信电源系统的整流模块Intergy R2948（48V/60A）单模块输出功率2900W，它所采用的风冷散热为前进风，斜上