以博大电源模块为例详解模块电源散热

电源模块在运行过程中，由于模块内部将产生功率消耗，而且以热量的形式产生，若不将这些热量发散出去，将会聚积在模块内部，使得温度过高，进而可能促使功率器件超过额定的温度极限；轻则缩短模块电源使用寿命，重则损坏模块。所以散热设计对于电源模块来说至关重要。一般额定操作温度的定义，均是以外壳温度或指定之热点为温度量测基准，如下图的红点所示。

以将基准温度降低至额定范围内为散热设计之目标。一般而言，电源模块最大可操作的外壳温度极限，依不同设计，多设定在100℃~110℃左右。

1、外壳温度估算

在一般应用中，通常采用实际测量来得出实际外壳温度。但在部份情况下，实际测量无法实现；此时则可通过估算的方式得出大概的外壳温度。

下面就通过博大科技电源模块的实际范例，介绍电源模块外壳温度估算的步骤，以避免模块工作超过最高外壳工作温度。

估算步骤如下：

STEP 1 --- 确定电源模块最大的操作环境温度(Ta)

STEP 2 --- 估算最大输出功率(Po)

估算实际应用时，所需的最大输出功率Po。如果是多路输出，则指多路输出的总输出功率。计算方程式为

STEP 3 --- 确定转换效率(η)

一般模块只提供额定输入电压在满负载输出功率及25℃环境温度下的效率值，实际上在不同的负载情况或输入电压时，以及不同的操作环境温度，效率会发生一些改变，博大科技电源模块在规格书内都已提供上述的效率曲线图，可依照实际的条件，查询转换效率。

STEP 4 --- 确定外壳对环境的热阻(θca)

热阻定义为单位消耗功率所产生的上升温度，通常以℃/W表示。

STEP 5 --- 估算电源模块本身所产生之消耗功率(Pd)。

方程式如下：

STEP 6 --- 估算电源模块外壳的工作温度（Tc）。

方程式如下：

STEP 7 --- 确认上述外壳工作温度应在最高工作温度以下。

实例详解

以博大科技40W电源模块 FEC40-48S05（输出电压：5V,满载电流：8.0A）为例为大家介绍一下如何估算电源模块外壳温度。

假设实际操作条件如下：

-- 最大操作环境温度(Ta)为50℃

-- 输入电压(Vin)为48V时

-- 输出电压(Vout)为5V时

-- 实际负载电流(Iout)为6.4A。(6.4A / 8.0A = 80%满负载)

-- 实际输出功率(Po)为5Vout * 6.4A = 32W

依规格书所提供的输出负载及输入电压对效率的曲线图可查出，在Vin=48V，Iout=80%满负载时的转换效率η=92%

由规格书中可以查询到，在不加散热片及无强制气流的情况下

θca = 9.2 (℃/W)

计算电源模块之消耗功率：

计算电源模块外壳温度：

结论：

在此操作条件下，外壳温度（Tc）约为75.6℃，低于额定温度100℃，故符合工作温度和设计使用要求。

2、散热设计

如果上述的估算已经超过外壳最大工作温度，则必须增加散热的设计。

由估算外殻温度的方程式 可知，Ta及Pd是系统操作时的条件，可视为定值，故要降低外壳温度，需要由降低外壳到环境的热阻(θca)着手，θca也是散热设计中最重要的因子。

在博大科技电源产品的规格书内，都有提供在多种散热条件下，模块到环境的热阻值。这个热阻值是在恒温、恒湿及可控风速的标准实验设备里直接测得，非常具有参考价值。具体标准测量方法如下图：

3、散热方法

在系统没有任何散热设计的情况下，应该确保顶部和底部保留足够的气流信道，使模块在运作产生热能时，与环境空气因温度差而产生自然对流冷却。

在气流信道不完善的情况下，导致模块壳温过高时，可以通过以下的方式，做为散热设计。

□ 增加散热片

散热片的主要作用，是增加热源对环境空气之间的接触面积，在有适当空气对流的情况下(包含自然对流)，可明显的降低热阻θca。

散热片与电源模块外壳在直接接合时，因为外壳与散热片都是坚硬的材质，并无法确保完全密合平整，多少会产生一些缝隙，这将会增加热阻；所以电源模块在组配散热片时需使用导热的表面材料，如导热硅脂(Thermal compound)、导热硅胶片(Thermal Pad)等，来确保外壳与散热片的紧密结合及减少缝隙；组装结构示意图如下所示。

组配后的热阻θca为θcp、θph、θha的总和；因为空气在不流动的情况下热阻极大，故与空气接触的θha为最主要的热阻。

使用散热片可以大幅度降低θha的方式，但若θcp、θph不佳，也会影响到总热阻θca，这也是为什么需要使用具有良好导热性及填缝效果之Thermal Pad的原因。

最好的散热片摆放方式，是散热片的鳍片上下垂直于空气中，形成良好的”烟囱效应”，如此才能拥有最好的自然对流效果；在无强制