中心議題：

• 產(chǎn)生熱量的原因
• 熱設(shè)計的一些基本原則

• 輻射、傳導(dǎo)和對流散熱介紹
• 產(chǎn)品散熱實(shí)際計算

在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天。如何保證電子設(shè)備的長時間可靠運(yùn)行，一直困擾著工程師們。造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多，但是高溫是其中最重要的因素，溫度對電子設(shè)備的影響高達(dá)60％。簡化散熱處理是偉仕電源變換器模塊電源的重要特點(diǎn)之一。由于變換器的效率很高，產(chǎn)生的熱量很小，并采用超薄形封裝，提供了方便安裝和電隔離的散熱介面。采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，可以改善變換器的工作條件，提高系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF），縮小變換器模塊的體積，并且還能延長使用壽命、降低成本。下面介紹偉仕電源變換器模塊有效的散熱方法。

產(chǎn)生熱量的原因

模塊電源并非全部輸入能量都可變換成輸出能量，一部分輸入電能將在變換器中變成熱能損耗掉。變換器的輸出功率與輸入功率之比稱為變換器的效率。效率是變換器最基本的品質(zhì)因數(shù)，它能夠用來表示變換器輸出功率與功耗的直接關(guān)系。估算冷卻要求時，首先應(yīng)根據(jù)變換器效率計算出在最差情況下的功耗和預(yù)期的負(fù)載功率。偉仕電源變換器是目前效率最高的變換器之一，新型模塊的滿載時效率可達(dá)到90%以上。

熱設(shè)計的一些基本原則

1、從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于20mm
2、同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件（如小信號晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等）放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件（如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等）放在冷卻氣流最下游。
3、在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時對其它器件溫度的影響。
4、對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個器件最好是在水平面上交錯布局。
5、設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以在設(shè)計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板?？諝饬鲃訒r總是趨向于阻力小的地方流動，所以在印制電路板上配置器件時，要避免在某個區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。

散熱的方法
熱能從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)的基本方式有三種：輻射、傳導(dǎo)和對流。
    輻射：不同溫度的兩個物體間熱量的電磁傳遞。
    傳導(dǎo)：熱量通過固體介質(zhì)的傳遞。
    對流：熱量通過流體介質(zhì)（空氣）的傳遞。
在各種實(shí)際應(yīng)用中，所有三種熱量傳遞的方式都有不同程度的作用。在大部分應(yīng)用中，對流是最主要的熱量傳遞方式，若再加上另外兩種散熱方式,效果更佳。但在某些情況下，這兩種方式也可能帶來反效果。因此，設(shè)計優(yōu)良的散熱系統(tǒng)時，所有三種熱量傳遞方式都應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮。

 1、輻射散熱
當(dāng)兩個不同溫度的介面相對時，將產(chǎn)生熱量的連續(xù)輻射傳遞。輻射對個別物體溫度的最終影響決定于許多因素：各部件的溫度差、有關(guān)部件的方位、部件表面的光潔度以及彼此的間隔等。由于很難把這些因素量化，加上周圍環(huán)境本身的輻射式能量交換的影響，因此計算輻射對溫度的影響很復(fù)雜，而且很難精確。

偉仕電源變換器模塊實(shí)際應(yīng)用中，不可能單依靠輻射式散熱作為轉(zhuǎn)換器的冷卻方法。在大部分情況下，輻射只能散去總熱量的10%或以下，因此，輻射散熱通常只能作為主要散熱方式以外的一種輔助手段，并且熱設(shè)計時通常也不考慮它對模塊溫度的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，通常變換器模塊的溫度都高于環(huán)境溫度，因此，輻射能量傳遞有助于散熱。但是，在某些情況下，模塊附近一些熱源（功率器件板，大功率電阻等）的溫度比模塊的溫度更高，這些物體的熱輻射將反而會使模塊的溫度升高。

在散熱設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)熱輻射可能產(chǎn)生的影響，合理安排變換器模塊周圍元件的相對位置。當(dāng)發(fā)熱元件靠近變換器模塊時，為了減弱輻射的加熱效應(yīng)，在模塊和發(fā)熱元件之間應(yīng)插入隔熱板。[page]

2、傳導(dǎo)散熱
在大部分應(yīng)用中，模塊產(chǎn)生的熱量將從基板傳導(dǎo)到散熱器或?qū)嵩?。但是在基板和?dǎo)熱元件之間的接觸面上將產(chǎn)生溫度差，這種溫度差必須加以控制, 熱阻串聯(lián)在散熱回路中，基板的溫度應(yīng)為接觸面的溫升和導(dǎo)熱元件的溫度之和。如果不加控制，接觸面的溫升會特別明顯的。接觸面的面積應(yīng)盡可能大一些，并且接觸面的平滑度應(yīng)當(dāng)在5密耳（0.005英寸）以內(nèi)。為了消除表面的凹凸不平，在接觸面上應(yīng)填充導(dǎo)熱膠或?qū)釅|。采取適當(dāng)?shù)拇胧┖?，接觸面的熱阻可降到0.1℃/W以下。只有降低散熱熱阻(RTH)或降低功耗(Ploss)才能降低溫升，增加TAmax,電源的最大輸出功率跟應(yīng)用環(huán)境溫度有關(guān),影響參數(shù)包括損耗功率Ploss、熱阻RTH和最高電源殼溫TC。效率高和散熱較佳的電源溫升會較低。在標(biāo)稱功率輸出時，它們的可用溫度會有余量。效率較低或散熱較差的電源的溫升會較高。它們需要風(fēng)冷或降額使用.

在許多應(yīng)用中，變換器基板上的熱量要經(jīng)導(dǎo)熱元件傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的散熱面上。這樣，基板的溫度將等于散熱面的溫度、導(dǎo)熱元件的溫升及兩接觸面的溫升之和。導(dǎo)熱元件的熱阻與其長度L成正比，與其截面積及導(dǎo)熱率反比，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒孛娣e，也可以減小導(dǎo)熱元件的熱阻。在安裝空間和成本都允許的條件下，應(yīng)選用熱阻值最小的散熱器。應(yīng)當(dāng)記住，基板溫度略微降低一點(diǎn)，平均無故障時間（MTBF）就會顯著提高。
散熱片的制造材料是影響效能的重要因素，選擇時必須加以注意。目前加工散片所采用的金屬材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)：

熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K＝1℃）時的熱傳導(dǎo)功率。     熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價格。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少，但近兩年隨著對散熱設(shè)備性能要求的提高，越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金，寄此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。

各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。上表中列出的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。

3、對流散熱

對流散熱是偉仕電源變換器常用的散熱方法，對流通常分為自然對流和強(qiáng)制對流兩種。熱量從發(fā)熱物體表面?zhèn)鬟f到溫度較低的周圍靜止的空氣中，稱為自然對流；熱量從發(fā)熱物體表面?zhèn)鬟f到流動的空氣中，稱為強(qiáng)制對流。
自然對流的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)行、不需要風(fēng)扇、成本較低、而且散熱的可靠性很高。但是，與強(qiáng)制對流相比，為了達(dá)到相同的基板溫度，所需散熱器的體積較大。

自然對流散熱器設(shè)計還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
通常散熱器都只給出垂直散熱片的參數(shù)。水平散熱片散熱效果較差。如果須水平安裝，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卦黾由崞鞯拿娣e，也可采用強(qiáng)制對流散熱。

自然對流的散熱效果決定于熱量密度變化引起的空氣流速。散熱器的熱阻值通常是指散熱片處于沒有任何障礙的氣流中時的熱阻值。如果周圍的器件阻礙空氣流過散熱片時，就應(yīng)當(dāng)選用散熱面積更大的散熱器。在最惡劣的工作條件下，自然對流散熱可能不起作用，務(wù)必使散熱片完全暴露在周圍的空氣中。

散熱器的尺寸不必受模塊基板的限制。散熱器的基板面積大于模塊基板，散熱效果會更佳。另外，幾個變換器模塊也可以裝到同一個散熱器上，此時，不能只考慮模塊的總功耗，因?yàn)樵谧類毫拥墓ぷ鳁l件下，如果變換器模塊的功耗差別較大，那么就可能造成某些模塊過熱。當(dāng)同一個散熱器上的多個變換器模塊裝到印刷電路板上時，務(wù)必先把模塊牢固安裝在散熱器上，并將各引腳連接好，然后再把該組合模塊焊接到印刷電路板上。如果必須在安裝前焊接，為了整齊排列，應(yīng)先利用固定物把各模塊固定后才焊接。[page]

強(qiáng)制對流具有非常好的散熱效果。與自然對流散熱相比，采用適當(dāng)?shù)纳崞骱?，散熱器到空氣的熱阻可減小幾個數(shù)量級。
 強(qiáng)制對流時必須采用風(fēng)扇。在許多實(shí)際應(yīng)用中，為了保證電源系統(tǒng)的整體可靠性和安裝密度，都要求采用風(fēng)扇散熱。然而，在某些應(yīng)用中，采用風(fēng)扇是一大禁忌。當(dāng)工作環(huán)境的空氣不干凈時，必須采用濾塵器，并且為了保證散熱效果，濾芯需要定期更換。

產(chǎn)品散熱實(shí)際計算
在不同的應(yīng)用中，電源模塊需要的散熱器熱阻可從下面的等式計算出來，然后可根據(jù)熱阻從散熱器的資料冊中可以找到適當(dāng)?shù)纳崞?br /> TC,max      電源最大的滿功率輸出殼溫
TA 工作環(huán)境溫度
電源工作效率
Pout電源輸出功率
 
 
例1：最高工作環(huán)境溫度為45℃，空氣流速為400英尺/分鐘時，計算WDH150-48S05，150W，5V輸出模塊不帶散熱器時的最大輸出功率。
最高輸出功率=
Tmax=85℃
Ta=45℃
=2.64℃/W
η=90%(0.9)
最大輸出功率=
=136W(max)
例2：在自然對流條件下，當(dāng)工作環(huán)境為55℃，輸出24V、45W時，求出WDH50-48S24模塊所能承受的最大熱阻。
最大熱阻抗=
Tmax=100℃
Ta=55℃
Pout=45W
η=87%(0.87)
最大熱阻=
=6.69℃/W(min)
   
例3：空氣流速為200英尺/分鐘時，帶有0.45寸散熱器的WDH150-48S05模塊輸出為5V，130W時，計算模塊的溫升。
溫升=×Pout（ -1）
Pout=130W
=2.7℃/W
η=90%(0.9)
溫升=130×2.7（ -1）
=39℃