关于电源的热设计
电源模块的表面，热乎乎的，模块坏了?!
且慢，有一点发热，仅仅只是因为它正努力地工作着。
但高温对电源模块的可靠性影响还是很大，所以还是需要做好热设计，减小电源表面和内部器件的温升。那么我们来聊一聊电源的热设计。
高温对电源的影响：绝缘性能退化、元器件损坏、材料的热老化、低熔点焊缝开裂及焊点脱落、器件之间的机械应力增大等现象。
有统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，元器件温升为50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6。而温升每超过10℃，电解电容的寿命就要下降一半。
对于电源热设计，它包括两个层面：降低损耗和改善散热条件。
一．元器件的损耗
损耗是产生热量的直接原因，降低损耗是降低发热的根本。进一步说就是需要降低内部发热元件的损耗和温升。电源热设计的关键器件一般有：MOS管、二极管、变压器、功率电感、限流电阻等。其损耗如下：
1）MOS管的损耗：导通损耗、开关损耗(开通损耗和关断损耗)；
2）整流二极管的损耗：正向导通损耗，反3）变压器、功率电感：铁损和铜损；
4）无源器件(电阻、电容等)：欧姆热损耗。
二．热设计（改善散热条件）
散热设计是采用热传递技术将元器件自身的温度控制到所要求的温度范围内。
热传递一般有3个途径：传导、辐射、对流。如下图，后面会进行逐一介绍。
因为热量引起足够的温升，而温升又是与热量成正比的，越热说明温升越高。热阻越大，温升越高。热路和电路的相似关系如下：
在电路中，存在欧姆定律，即R=U/I。在热路中引入热阻Rθ，即：Rθ= ΔT/ PD，
其中 Rθ是介质之间的热阻，ΔT是介质之间的温度差，PD是耗散的功率。
下面对热传递的3种方式进行分别介绍：
01
传导散热
具有温度差异的两个直接接触的物体或物体内部个部分之间发生的热传递。本质是分子动能的相互传递。
P=[KA(T1-T2)]/L
其中：P：传递的热流（功率）(W)
A：与热传输方向垂直的单元端面积(cm2)
L：热传输单元的长度(cm)
(T1-T2)：热传输单元两边的温度差(℃)
K：材料的导热率，量纲为W/(cm2•℃)
A)印制电路板的热设计
由于集成电路的大量使用，安装密度高，使印制电路板的发热密度变高，印制电路板的热设计就是要解决如何有效的将印制电路板上的热引导到外面去。
印制电路板上的布线可以分为电源线、接地线和信号线，其中以电源线和接地线流过的电流较大。热设计应该保证导线的载流量，线的宽度必须适合电流的传导，不致引起超过允许的温升和压降。
PCB的布局布线也要考虑到电源的散热：
a)发热量大的元件要避免扎堆布局，尽量保持板面热量均匀分布;
b)发热器件应尽可能远离对温度敏感的元器件，如电解电容等；
c)采用多层PCB;
d)功率元件背面敷铜平面散热，并用“散热孔”将热量从PCB的一面传到另一面。散热孔的孔径应很小，大约0.3mm左右，散热孔的间距一般为1mm~1.2mm。功率元件背面敷铜平面加散热孔的方法，可以起到很好的散热效果，降低功率元件的表面温升。
B)元器件的热设计
温度是直接影响元器件性能和可靠性的主要因素。在元器件的热设计中必须保证元器件的最高温度低于允许工作温度。常见元器件的允许工作温度如下图：
02
辐射散热：
借助于电磁波(红外线)的形式将热量传递出去，不需要任何的介质，传播方向为直线，可以在真空中传播。例如太阳的热量通过热辐射到达地球。
P：传递的热流（功率）(W)
A：辐射表面的面积(cm2)
e：表面发射率，与辐射物体的表面粗燥度以及颜色有关。
Ts:辐射表面温度(℃)
Ta：环境温度(℃)
03
对流换热
对流换热是指流体与其相接触的流体或固体表面，而且具有不同温度时，所发生的热量转移过程。
Φ =αA(T1－ T2)
A为与流体接触的壁面面积(m2)
α为对流换热系数
T1为壁面温度(K)
T2为流体平均温度(K)
从上面的公式可以看出，在热对流传递中，热量传递的数量跟热对流系数、有效接触面积以及温度差成正比，热对流系数越大，有效接触面积越大，温差越高，所能带走的热量就越多。
三、 结语
开关电源的热设计应充分考虑产品所处的工作环境及实际的工作状态，大家可以说说热设计还有其他的哪些方法？
部分电子书籍截图
