Cinque punti approfondiscono la soluzione termica dell'alimentazione a commutazione

Sappiamo tutti che verrà generata una grande quantità di calore quando l'alimentatore switching è in funzione. Se il calore non può essere scaricato in tempo e mantenuto a un livello ragionevole, il normale funzionamento dell'alimentatore a commutazione ne risentirà e l'alimentatore a commutazione verrà danneggiato in casi gravi. Al fine di migliorare l'affidabilità dell'alimentatore a commutazione, oggi condividerò con voi diverse soluzioni di raffreddamento specifiche per l'alimentatore a commutazione.

Gli alimentatori a commutazione sono stati ampiamente utilizzati in vari tipi di apparecchiature elettroniche attuali e la loro densità di potenza unitaria è in costante miglioramento. L'alta densità di potenza è definita da 25w/in3 nel 1991, 36w/in3 nel 1994, 52w/in3 nel 1999 e 96w/in3 nel 2001. Per migliorare l'affidabilità dell'alimentazione a commutazione, il design termico è una parte essenziale e importante nella progettazione di alimentazione elettrica di commutazione.

Se l'aumento della temperatura all'interno dell'alimentatore a commutazione è troppo elevato, causerà il guasto di dispositivi a semiconduttore sensibili alla temperatura, condensatori elettrolitici e altri componenti. Quando la temperatura supera un certo valore, il tasso di guasto aumenta esponenzialmente. Le statistiche mostrano che l'affidabilità dei componenti elettronici diminuisce del 10% per ogni 2 gradi di aumento della temperatura; l'aspettativa di vita con un aumento della temperatura di 50 gradi è solo 1/6 di quella con un aumento della temperatura di 25 gradi. Oltre allo stress elettrico, la temperatura è il fattore più importante che influenza l'affidabilità degli alimentatori a commutazione. Gli alimentatori a commutazione ad alta frequenza hanno elementi riscaldanti ad alta potenza e la temperatura è uno dei fattori più importanti che ne influenzano l'affidabilità.

La progettazione termica di un alimentatore switching completo include due aspetti: uno è come controllare la generazione di calore della fonte di calore; l'altro è come dissipare il calore generato dalla fonte di calore, in modo che l'aumento di temperatura dell'alimentatore a commutazione sia controllato entro l'intervallo consentito per garantire l'affidabilità degli alimentatori a commutazione.

1. La progettazione del controllo del potere calorifico

I principali componenti di riscaldamento nell'alimentatore a commutazione sono tubi di commutazione a semiconduttore, diodi di potenza, trasformatori ad alta frequenza, induttori di filtro, ecc. Componenti diversi hanno metodi diversi per controllare la generazione di calore. Il tubo di potenza è uno dei dispositivi con una grande generazione di calore nell'alimentatore switching ad alta frequenza. Ridurre la sua generazione di calore può non solo migliorare l'affidabilità del tubo di potenza, ma anche migliorare l'affidabilità dell'alimentatore switching e migliorare il tempo medio tra i guasti (MTBF). ). La generazione di calore del tubo dell'interruttore è causata dalla perdita e la perdita del tubo dell'interruttore è composta da due parti: la perdita del processo di commutazione e la perdita dello stato attivo. Pertanto, è possibile adottare le seguenti misure per controllare e ridurre il calore.

1. Ridurre la perdita in stato On La perdita in stato On può essere ridotta selezionando un interruttore con bassa resistenza in stato On.

2. La perdita di commutazione è causata dall'entità della carica di gate e dal tempo di commutazione. Per ridurre la perdita di commutazione, è possibile selezionare un dispositivo con una velocità di commutazione maggiore e un tempo di ripristino più breve per ridurre la perdita di commutazione.

3. È più importante ridurre la perdita progettando migliori metodi di controllo e tecnologie di buffering. Ad esempio, la tecnologia di commutazione graduale può ridurre notevolmente questa perdita.

4. Ridurre la generazione di calore del diodo di potenza. In generale, non esiste una tecnologia di controllo migliore per ridurre la perdita del raddrizzatore CA e del diodo soppressore. La perdita può essere ridotta selezionando un diodo di alta qualità.

5. Per la rettifica del lato secondario del trasformatore, è possibile selezionare una tecnologia di rettifica sincrona più efficiente per ridurre la perdita.

6. Per la perdita causata da materiali magnetici ad alta frequenza, l'effetto pelle dovrebbe essere evitato il più possibile. Per l'influenza causata dall'effetto pelle, è possibile utilizzare il metodo di avvolgimento in parallelo di più trefoli di sottili fili smaltati per risolvere il problema.

2, il design termico dell'alimentatore switching

Al fine di dissipare il calore del dispositivo di riscaldamento il più presto possibile, il progetto di dissipazione del calore dell'alimentatore switching è generalmente considerato dai seguenti aspetti: radiatore, ventola di raffreddamento, circuito stampato metallico, foglio termoconduttore isolante, ecc. Nel progettazione effettiva, è necessario applicare in modo completo i metodi di cui sopra alla progettazione dell'alimentatore in base alle esigenze del cliente e del prodotto stesso e al miglior rapporto costo-efficacia.

1. Progettazione del dissipatore di calore di dispositivi a semiconduttore

Poiché il calore generato dai dispositivi a semiconduttore è dominante negli alimentatori a commutazione, il calore proviene principalmente dalle perdite di accensione, spegnimento e conduzione dei dispositivi a semiconduttore. In termini di topologia del circuito, l'uso della topologia di conversione a commutazione zero per generare risonanza in modo che la tensione o la corrente nel circuito venga attivata o disattivata al passaggio per lo zero può ridurre al minimo la perdita di commutazione, ma non può eliminare completamente la perdita del interruttore tubo, quindi l'uso della dissipazione del calore Il dispositivo è il metodo comune e principale.

Principi di base della selezione del dissipatore di calore a semiconduttore dell'interruttore di alimentazione

(1) Base di base per la selezione del dissipatore di calore

La scelta del dissipatore di calore per i dispositivi a semiconduttore di potenza deve essere considerata globalmente in base alla potenza dissipata del dispositivo, alla resistenza termica giunzione-involucro del dispositivo, alla resistenza termica di contatto e alla temperatura del mezzo di raffreddamento.

(2) Requisiti per la forza di fissaggio tra il dispositivo e il dissipatore di calore

Per avere un buon contatto termico tra il dispositivo e il dissipatore di calore dopo il montaggio, deve avere una forza di installazione o una coppia di installazione adeguate. E nelle applicazioni pratiche, viene solitamente aggiunto uno strato di materiale termicamente conduttivo tra il dispositivo e il dissipatore di calore per migliorare la sua efficienza di trasferimento del calore e ridurre la resistenza termica tra i due.

(3) Condizioni nominali di raffreddamento del radiatore

Radiatore autoraffreddante: la temperatura ambiente non dovrebbe preferibilmente essere superiore a 40 gradi, le alette del radiatore dovrebbero essere disposte verticalmente durante l'installazione e le facce terminali superiore e inferiore non dovrebbero essere bloccate, in modo che ci sia un buon ambiente e canale per naturale convezione dell'aria attorno al radiatore.

Radiatore raffreddato ad aria: la temperatura dell'aria in ingresso è controllata al di sotto di 40 gradi e la velocità del vento all'estremità di ingresso è preferibilmente di 6 m/s.

Radiatore di raffreddamento ad acqua: la temperatura dell'acqua in ingresso non è superiore a 35 gradi. La portata d'acqua è determinata in base al fabbisogno termico totale per la dissipazione del calore e alla differenza di temperatura di progetto tra l'acqua in ingresso e quella in uscita.

(4) Considerazione completa della selezione dei radiatori

La selezione dei radiatori dovrebbe considerare in modo completo la gamma di capacità di dissipazione del calore, il metodo di raffreddamento, i parametri tecnici e le caratteristiche strutturali del radiatore. Per un dispositivo solo dai parametri tecnici, potrebbero esserci due o tre radiatori in grado di soddisfare i requisiti, ma dovrebbe essere combinato con il raffreddamento e l'installazione. , intercambiabilità generale ed economia sono selezionati in modo completo.

2. Raffreddamento ad aria naturale del ventilatore e raffreddamento ad aria forzata

Nell'effettivo processo di progettazione dell'alimentazione a commutazione, vengono solitamente utilizzate due forme di raffreddamento ad aria naturale e raffreddamento ad aria forzata tramite ventola. Quando si installa il dissipatore di calore raffreddato ad aria naturale, le lame del dissipatore di calore devono essere posizionate verticalmente verso l'alto. Se possibile, è possibile praticare diversi fori di ventilazione attorno alla posizione di installazione del dissipatore di calore sul PCB per facilitare la convezione dell'aria.

Il raffreddamento ad aria forzata utilizza una ventola per forzare la convezione dell'aria. Pertanto, nella progettazione del condotto dell'aria, la direzione assiale delle pale del dissipatore di calore dovrebbe essere coerente con la direzione di scarico della ventola. Per avere un buon effetto di ventilazione, i dispositivi con una maggiore dissipazione del calore dovrebbero essere più vicini Ventola di scarico, nel caso di una ventola di scarico, la resistenza termica del dissipatore di calore è mostrata nella tabella seguente:

4. PCB in metallo

Con la miniaturizzazione degli alimentatori switching, i componenti a montaggio superficiale sono ampiamente utilizzati nei prodotti reali e attualmente è difficile installare dissipatori di calore sui dispositivi di alimentazione. Allo stato attuale, per superare questo problema, il PCB metallico viene utilizzato principalmente come supporto di dispositivi di potenza, inclusi principalmente laminati rivestiti in rame a base di alluminio e laminati rivestiti in rame a base di ferro. C'è un altro PCB con nucleo in rame. Lo strato intermedio del substrato è uno strato isolante in lamiera di rame, che adotta un foglio adesivo in fibra di vetro epossidica ad alta conducibilità termica o una resina epossidica ad alta conducibilità termica. Può montare componenti smd su entrambi i lati e i componenti smd ad alta potenza possono essere saldati direttamente sul dissipatore di calore smd sul PCB metallico e utilizzare la piastra metallica nel PCB metallico per dissipare il calore.

5. Disposizione degli elementi riscaldanti

I principali elementi riscaldanti nell'alimentatore a commutazione sono semiconduttori ad alta potenza e relativi radiatori, trasformatori di conversione di potenza e resistori ad alta potenza. Il requisito fondamentale per la disposizione degli elementi riscaldanti è di disporli da piccoli a grandi in base al grado di generazione del calore. Minore è il potere calorifico, maggiore è la direzione del vento del condotto dell'aria dell'alimentatore switching, più l'apparecchio con il potere calorifico maggiore è vicino allo scarico. fan.

Per migliorare l'efficienza produttiva, più dispositivi di potenza sono spesso fissati sullo stesso grande dissipatore di calore. A questo punto, il dissipatore di calore deve essere posizionato il più vicino possibile al bordo del PCB. Tuttavia, dovrebbe esserci almeno una distanza superiore a 1 cm dal guscio o da altre parti dell'alimentatore a commutazione. Se ci sono diversi grandi dissipatori di calore su un circuito stampato, dovrebbero essere paralleli tra loro e paralleli alla direzione del vento del condotto dell'aria. In direzione verticale, i dispositivi con bassa generazione di calore sono disposti nello strato più basso e i dispositivi con grande generazione di calore sono disposti negli strati più alti. I componenti che generano calore devono essere posizionati il ​​più lontano possibile dai componenti sensibili alla temperatura, come i condensatori elettrolitici, sul layout del PCB.

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