牽涉到開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計或分析成為電子工程師的心頭之痛已是不爭的事實，應(yīng)廣大網(wǎng)友迫切要求，電子發(fā)燒友推出開關(guān)電源設(shè)計整合系列和工程師們一起分享，請各位繼續(xù)關(guān)注后續(xù)章節(jié)。

一、開關(guān)電源EMI的一些設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗

開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對開關(guān)電源的干擾重要來自電網(wǎng)的抖動、雷擊、外界輻射等。

1.開關(guān)電源的EMI源

開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對開關(guān)電源的干擾重要來自電網(wǎng)的抖動、雷擊、外界輻射等。

(1)功率開關(guān)管

功率開關(guān)管工作在On-Off快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場耦合的重要干擾源，也是磁場耦合的重要干擾源。

(2)高頻變壓器

高頻變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場耦合的重要干擾源。

(3)整流二極管

整流二極管的EMI來源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上，反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點會在電感(引線電感、雜散電感等)出現(xiàn)高dv/dt，從而導(dǎo)致強電磁干擾。

(4)pCB

準(zhǔn)確的說，pCB是上述干擾源的耦合通道，pCB的優(yōu)劣，直接對應(yīng)著對上述EMI源抑制的好壞。

2.開關(guān)電源EMI傳輸通道分類

(一).傳導(dǎo)干擾的傳輸通道

(1)容性耦合

(2)感性耦合

(3)電阻耦合

a.公共電源內(nèi)阻出現(xiàn)的電阻傳導(dǎo)耦合

b.公共地線阻抗出現(xiàn)的電阻傳導(dǎo)耦合

c.公共線路阻抗出現(xiàn)的電阻傳導(dǎo)耦合

(二).輻射干擾的傳輸通道

(1)在開關(guān)電源中，能構(gòu)成輻射干擾源的元器件和導(dǎo)線均可以被假設(shè)為天線，從而利用電偶極子和磁偶極子理論進行分析;二極管、電容、功率開關(guān)管可以假設(shè)為電偶極子，電感線圈可以假設(shè)為磁偶極子;

(2)沒有屏蔽體時，電偶極子、磁偶極子，出現(xiàn)的電磁波傳輸通道為空氣(可以假設(shè)為自由空間);

(3)有屏蔽體時，考慮屏蔽體的縫隙和孔洞，按照泄漏場的數(shù)學(xué)模型進行分析處理。

3.開關(guān)電源EMI抑制的9大措施

在開關(guān)電源中，電壓和電流的突變，即高dv/dt和di/dt，是其EMI出現(xiàn)的重要原因。實現(xiàn)開關(guān)電源的EMC設(shè)計技術(shù)措施重要基于以下兩點：

(1)盡量減小電源本身所出現(xiàn)的干擾源，利用抑制干擾的方法或出現(xiàn)干擾較小的元器件和電路，并進行合理布局;

(2)通過接地、濾波、屏蔽等技術(shù)抑制電源的EMI以及提高電源的EMS。

分開來講，9大措施分別是：

(1)減小dv/dt和di/dt(降低其峰值、減緩其斜率)

(2)壓敏電阻的合理應(yīng)用，以降低浪涌電壓

(3)阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制過沖

(4)采用軟恢復(fù)特性的二極管，以降低高頻段EMI

(5)有源功率因數(shù)校正，以及其他諧波校正技術(shù)

(6)采用合理設(shè)計的電源線濾波器

(7)合理的接地處理

(8)有效的屏蔽措施

(9)合理的pCB設(shè)計

4.高頻變壓器漏感的控制

高頻變壓器的漏感是功率開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓出現(xiàn)的重要原因之一，因此，控制漏感成為解決高頻變壓器帶來的EMI首要面對的問題。

減小高頻變壓器漏感兩個切入點：電氣設(shè)計、工藝設(shè)計!

(1)選擇合適磁芯，降低漏感。漏感與原邊匝數(shù)平方成正比，減小匝數(shù)會顯著降低漏感。

(2)減小繞組間的絕緣層。現(xiàn)在有一種稱之為“黃金薄膜”的絕緣層，厚度20～100um，脈沖擊穿電壓可達(dá)幾千伏。

(3)新增繞組間耦合度，減小漏感。

5.高頻變壓器的屏蔽

為防止高頻變壓器的漏磁對周圍電路出現(xiàn)干擾，可采用屏蔽帶來屏蔽高頻變壓器的漏磁場。屏蔽帶一般由銅箔制作，繞在變壓器外部一周，并進行接地，屏蔽帶相關(guān)于漏磁場來說是一個短路環(huán)，從而抑制漏磁場更大范圍的泄漏。

高頻變壓器，磁心之間和繞組之間會發(fā)生相對位移，從而導(dǎo)致高頻變壓器在工作中出現(xiàn)噪聲(嘯叫、振動)。為防止該噪聲，要對變壓器采取加固措施：

(1)用環(huán)氧樹脂將磁心(例如EE、EI磁心)的三個接觸面進行粘接，抑制相對位移的出現(xiàn);

(2)用“玻璃珠”(Glassbeads)膠合劑粘結(jié)磁心，效果更好。

二、半橋式開關(guān)電源變壓器參數(shù)計算方法

半橋式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計算

半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵方式與工作電源的接入方式有點不同;因此，用于計算推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只需稍微修改就可以用于半橋式變壓器開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的計算。

A)半橋式開關(guān)電源變壓器初級線圈匝數(shù)的計算

半橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式開關(guān)電源相同，也屬于雙激式開關(guān)電源，因此用于半橋式開關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強度B，可從負(fù)的最大值-Bm，變化到正的最大值+Bm，并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。半橋式開關(guān)電源變壓器的計算方法與前面推挽式開關(guān)電源變壓器的計算方法基本相同，只是直接加到變壓器初級線圈兩端的電壓僅等于輸入電壓Ui的二分之一。根據(jù)推挽式開關(guān)電源變壓器初級線圈匝數(shù)計算公式(1-150)和(1-151)式：

設(shè)直接加到半橋式開關(guān)電源變壓器初級線圈兩端的電壓為Uab，且Uab=Ui/2，則上面(1-150)和(1-151)式可以改寫為：

上面(1-174)和(1-175)式就是計算半橋式開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積(單位：平方厘米)，Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強度(單位：高斯);Uab為加到變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab=Ui/2，Ui為開關(guān)電源的工作電壓，單位為伏;τ=Ton，為控制開關(guān)的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關(guān)管導(dǎo)通時間的寬度(單位：秒);

F為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開關(guān)電源變壓器工作于正、反激輸出的情況下，其伏秒容量必須相等，因此，可以直接用工作頻率來計算變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù);F和τ取值要預(yù)留20%左右的余量。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的，選用不同單位，指數(shù)的值也不相同，這里選用CGS單位制，即：長度為厘米(cm)，磁感應(yīng)強度為高斯(Gs)，磁通單位為麥克斯韋(Mx)。

B)交流輸出半橋式開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

半橋式變壓器開關(guān)電源假如用于DC/AC或AC/AC逆變電源，即把直流逆變成交流，或把交流整流成直流后再逆變成交流，這種逆變電源一般輸出電壓都不要調(diào)整，因此電路相比較較簡單，工作效率很高。請參考圖1-36、圖1-38、圖1-39。

用于逆變的半橋式變壓器開關(guān)電源一般輸出電壓uo都是占空比等于0.5的方波，由于方波的波形系數(shù)(有效值與半波平均值之比)等于1，因此，方波的有效值Uo與半波平均值Upa相等，并且方波的幅值Up與半波平均值Upa也相等。所以，只要了解輸出電壓的半波平均值就可以了解有效值，再根據(jù)半波平均值，就可以求得半橋式開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比。

根據(jù)前面分析，半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，重要由開關(guān)電源變壓器次級線圈輸出的正激電壓來決定。因此，根據(jù)(1-158)、(1-159)、(1-161)等式其中一式就可以出半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得半橋式逆變開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比：

n=N2/N1=2Uo/Ui=2Upa/Ui——次/初級變壓比，D=0.5時(1-176)

(1-176)式就是計算半橋式逆變開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)，N2為變壓器次級線圈的匝數(shù)，Uo輸出電壓的有效值，Ui為直流輸入電壓，Upa輸出電壓的半波平均值。

(1-176)式還沒有考慮變壓器的工作效率，當(dāng)把變壓器的工作效率也考慮進去時，最好在(1-176)式的右邊乘以一個略大于1的系數(shù)。

C)直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源，就是在DC/AC逆變電源的交流輸出電路后面再接一級整流濾波電路。請參考1-43、圖1-44、圖1-45。這種直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源的控制開關(guān)K1、K2的占空比與DC/AC逆變電源相同，一般都是0.5，因此，直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比可直接利用(1-176)式來計算。即：

n=N2/N1=2Uo/Ui=2Upa/Ui——次/初級變壓比，D=0.5時(1-176)

不過，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮整流二極管的電壓降和變壓器的工作效率。

D)直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源的功能就要求輸出電壓可調(diào)，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源的兩個控制開關(guān)K1、K2的占空比必須要小于0.5;因為半橋式變壓器開關(guān)電源正、反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓(平均值)的情況下，兩個控制開關(guān)K1、K2的占空比相當(dāng)于要小一倍。當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時，占空比最好取值為0.25。根據(jù)(1-140)和(1-145)式，并把輸入電壓Ui換成Uab可求得：

(1-177)、(1-178)式，就是計算直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，N2為變壓器次級線圈的匝數(shù)，Uo為直流輸出電壓，Uab為加到變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab=Ui/2，Ui為開關(guān)電源的工作電壓。

同樣，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮變壓器的工作效率以及整流二極管的電壓降和開關(guān)器件接通時的電壓降。

三、基本電子電路:開關(guān)電源講解

做硬件工程師的，幾乎都碰到過開關(guān)電源。網(wǎng)上的資料也很多。筆者也經(jīng)常接觸開關(guān)電源，從工程應(yīng)用實踐中自己總結(jié)了一些開關(guān)電源的心得。本文力求淺顯易懂。但愿對開關(guān)電源比較陌生的工程師能有所幫助。開關(guān)電源是一個很大的領(lǐng)域，本文的描述僅見一斑，有不當(dāng)之處，望以斧正之。

1：常用的開關(guān)電源的原理——單端自激boost升壓電路

如上圖，開關(guān)電源利用電感電流不能瞬間改變的原理，用ctrl信號打開三極管，使得Vin通過電感和三極管向地流動。由于電感電流不能突變，因此，這個回路不能理解成短路，應(yīng)理解成給電感充能。充能是通過電感流過的電流不斷增大體現(xiàn)的，電流越大，電感的儲能越多。

當(dāng)電感電流新增到一定程度，用ctrl關(guān)閉三極管。則電感電流的回地的路就被切斷。同樣由于電感電流不能突變，因此，電流就會通過二極管流向電容。這樣就完成一次電感通過二極管給電容充電的過程。Ctrl信號周期性不停止的復(fù)現(xiàn)，宏觀上就形成從vin不斷流向電容的電流。這個過程與vout和vin電壓孰高孰低無關(guān)。意味著可升壓，也可降壓。

上面說的切斷電感電流，迫使電流流向改變，一般叫做“反激”，上圖的電感只有一個，反激點只有一個，叫做單端。有的電路用2個電感，交替進行電流流動。做直流逆變交流時，一般用2個電感，形成推挽效果。

2：如何實現(xiàn)穩(wěn)壓

上圖是原理。由于vout的負(fù)載不確定，因此，vout不可能穩(wěn)定在我們期望的電壓上，可能是升壓，也可能是降壓。解決這個問題的辦法是利用vout的電壓進行反饋。當(dāng)vout電壓低于期望值時，反饋信號就會調(diào)整ctrl，使它打開三極管的時間相對延長。則電感充能更多，從而使vout上升。反過來也相同。

這樣ctrl信號就有了個名字，叫pwm。一般是改變它的占空比。當(dāng)vout電壓不夠時，新增pwm信號占空比，使得更多的電能流向vout。

3：占空比

從原理容易理解，pwm信號不能達(dá)到100%占空比，那樣就真的短路了。當(dāng)pwm信號占空比大到一定程度時，也就是剛好有時間讓三極管能開關(guān)時，電感的充能達(dá)到極大值。這個電能必須能滿足后續(xù)電路的消耗。這樣就能使vout穩(wěn)定在我們要的電壓上。

4：實用電路

有許多成熟芯片供應(yīng)pwm信號的出現(xiàn)，并供應(yīng)反饋電壓調(diào)整pwm的占空比，這類芯片叫開關(guān)電源芯片，是專門用來設(shè)計開關(guān)電源的。下圖附一個成熟電路，是筆者在工程中應(yīng)用的。

這個芯片把三極管集成到芯片內(nèi)部，因此應(yīng)用比較簡單。因為它能供應(yīng)的電流很小，是給lcd供電的。+12V后面還有一個10uF/25V的電容。

5：設(shè)計開關(guān)電源要注意的幾個問題

A：注意電感的選擇，應(yīng)參照芯片資料，切忌理解成輸出電流多大就用多大的電感，這是許多新手容易理解錯的地方。例如，輸出電流是0.5A，電感可不要選0.5A的哦，要按資料來選，一般是1A左右。假如電感的電流參數(shù)選小了，會很熱。二極管也相同，電流參數(shù)不能按最終輸出電流選。電感值的大小涉及到飽和電流的問題，即電流大到一定程度后呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，電流則會瞬間增大，不再受電流不能突變的約束。因此選擇電感時，可以比資料的推薦值稍大一些。因為電感的誤差比較大，市場常見的電感是±20%，所以寧大勿小的原則。買電感時要注意。

B：第1節(jié)的圖里的三極管，從原理易得：其導(dǎo)通電阻越小越好，開關(guān)響應(yīng)越快越好。這2個因素是決定效率的最重要的2個方面。一般選擇mos管，要注意mos管的導(dǎo)通電阻和柵極寄生電容。芯片的輸出能否驅(qū)動得了柵極，假如驅(qū)動?xùn)艠O的能力不夠，應(yīng)使用LM5111等驅(qū)動芯片。

C：開關(guān)電源的噪聲比較大，尤其它是給后續(xù)電路供應(yīng)電源的，這使得后續(xù)電路的電源從骨子里就帶噪聲。這種噪聲的消除，要使用濾波電路，必要時用π型濾波。濾波要消耗電能，這與要達(dá)到的穩(wěn)壓效果成為一對矛盾，要工程師權(quán)衡為達(dá)到某效果要付出多大的濾波消耗。在開關(guān)電源后面串聯(lián)線性電源(例如7805等)不能顯著消除噪聲。一味加大電容也不是辦法，噪聲仍然能夠通過。不要期望既不付出電能消耗，又能消除噪聲。但是串聯(lián)電感器件的濾波電路確實更加節(jié)省一些。

D：開關(guān)電源兩端隔離的做法是用3個線圈共軛，一個用于自激充能，一個用于輸出，一個用于電壓反饋。值得一提的是，這種隔離不能消除開關(guān)引起的各種噪聲。噪聲會沿著共軛電感傳遞，而且噪聲的損耗很小。由于電壓反饋變成非直接的反饋，這種電源一般具有較大的誤差，但精度受影響很小，一般都帶輸出電壓調(diào)整。市場常見的模塊電源一般都帶電壓微調(diào)。

E：開關(guān)電源的地的布線。為了減少噪聲，需給噪聲盡量短的回地路線。第1節(jié)的圖中用了2個地符號。這2個地最終要接在一起，要注意的是，vout后端有個電容，在這個電容的負(fù)端把2個地接在一起。這樣，開關(guān)芯片的噪聲能最大程度的消耗在自己那邊，能大大改善vout的噪聲。

F：設(shè)計開關(guān)電源時，功率設(shè)計要至少保留1倍的余地，例如設(shè)計5V1A的開關(guān)電源，最大功率輸出要能達(dá)到2A。不要按需求設(shè)計成1A的，那樣會使pwm占空比接近最大值，電感、mos管等都會發(fā)熱。一般掌握在穩(wěn)定輸出時，pwm在50%或稍小為宜。這樣整個電路工作在一個“比較舒服”的情況下，噪聲、發(fā)熱等各方面綜合性能都比較好。

G：開關(guān)電源的保護。從第1節(jié)的圖可以看出，當(dāng)某種原因造成ctrl電平為常高時，會導(dǎo)致電感和三極管燒毀。Ctrl常低還好些，但是vin會串到vout上，對后續(xù)電路造成欠壓供電。常用的保護是在vin前端串聯(lián)一個過流保護器件，它一般是熱保護，電流過大會斷開。過一會兒又導(dǎo)通。

四、開關(guān)電源的熱設(shè)計方法解析

開關(guān)電源已普遍運用在當(dāng)前的各類電子設(shè)備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的含義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高達(dá)數(shù)百瓦每立方英寸.由于開關(guān)電源中使用了大量的大功率半導(dǎo)體器件,如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場效應(yīng)管等器件。它們工作時會出現(xiàn)大量的熱量,假如不能把這些熱量及時地排出并使之處于一個合理的水平將會影響開關(guān)電源的正常工作,嚴(yán)重時會損壞開關(guān)電源.為提高開關(guān)電源工作的可靠性,熱設(shè)計在開關(guān)電源設(shè)計中是必不可少的重要一個環(huán)節(jié)。

1.熱設(shè)計中常用的幾種方法

為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去,一般從以下幾個方面進行考慮:使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬pcb、散熱膏等.在實際設(shè)計中要針對客戶的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設(shè)計中。

2.半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計

由于半導(dǎo)體器件所出現(xiàn)的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位,其熱量重要來源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗.從電路拓?fù)浞绞缴蟻碇v,采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞匠霈F(xiàn)諧振使電路中的電壓或電流在過零時開通或關(guān)斷可最大限度地減少開關(guān)損耗但也無法徹底消除開關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及重要的方法.

2.1散熱器的熱阻模型

由于散熱器是開關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示

半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示：

pcmax(ta)=(tjmax-ta)/θj-a(w)-----------------------(1)

pcmax(tc)=(tjmax-tc)/θj-c(w)-----------------------(2)

pc:功率管工作時損耗

pc(max):功率管的額定最大損耗

tj:功率管節(jié)溫

tjmax:功率管最大容許節(jié)溫

ta:環(huán)境溫度

tc:預(yù)定的工作環(huán)境溫度

θs:絕緣墊熱阻抗

θc:接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)

θf:散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)

θi:內(nèi)部熱阻抗(pn結(jié)接合部與外殼封裝)

θb:外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

根據(jù)圖2熱阻等效回路,全熱阻可寫為:

θj-a=θi+[θb*(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf)----------------(3)

又因為θb比θs+θc+θf大很多,故可近似為

θj-a=θi+θs+θc+θf---------------------(4)

①pn結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗)θi是由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān).每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗.

②接觸熱阻抗θc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會對它出現(xiàn)影響。當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時就會增大接觸熱阻抗θc。在半導(dǎo)體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導(dǎo)熱性，可以大大降低接觸熱阻抗θc。

當(dāng)前有一種新型的相變材料，專門設(shè)計用采取代硅油作為傳熱介面，在65℃（相變溫度）時從固體變?yōu)榱黧w，從而確保界面的完全潤濕，該材料的觸變特性防止其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當(dāng)，但沒有硅油帶來的污垢，環(huán)境污染和難于操作等缺點。用于不要電氣絕緣的場合。典型應(yīng)用包括cpu散熱片，功率轉(zhuǎn)換模塊或者其它任何簧片固定的硅油應(yīng)用場合，它可涂布在鋁質(zhì)基材的兩面，可單面附膠，雙面附膠或不附膠。

③絕緣墊熱阻抗θs

絕緣墊是用于半導(dǎo)體器件和散熱器之間的絕緣.絕緣墊的熱阻抗θs取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度、面積。下表中列出幾種常用半導(dǎo)體封裝形式的θs+θc

④散熱器熱阻抗θf

散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。因此一般都會設(shè)法增強散熱器的散熱效果，重要的方法有新增散熱器的表面積、設(shè)計合理的散熱風(fēng)道、增強散熱器表面的風(fēng)速。散熱器的散熱面積設(shè)計值如下圖所示：

但假如過于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過于密集則會影響到空氣的對流，熱空氣不易于流動也會降低散熱效果。自然風(fēng)冷時散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大，選擇強制風(fēng)冷則可適當(dāng)減小叉指間距。如上圖所示：

⑤散熱器表面積計算

s=0.86w/(δt*α)(m2)

δt:散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度（ta）的差（℃）

α：熱傳導(dǎo)系數(shù)，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速決定。α由下式?jīng)Q定。

α=nu*λ/l()

λ:熱電導(dǎo)率（kcal/m2h）空氣物理性質(zhì)

l：散熱器高度（m）

nu：空氣流速系數(shù)。由下式?jīng)Q定。

nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

v：動粘性系數(shù)（m2/sec）,空氣物理性質(zhì)。

v’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)

pr:系數(shù),見下表

2.2散熱設(shè)計舉例

[例]2scs5197在電路中消耗的功率為pdc=15w,工作環(huán)境溫度ta=60℃,求在正常工作時散熱器的面積應(yīng)是多少?解:查2scs5197的產(chǎn)品目錄得知:pcmax=80w(tc=25℃),tjmax=150℃且該功率管使用了絕緣墊和硅油.θs+θc=0.8℃/w

從(2)式可得

θi=θj-c=(tjmax-tc)/pcmax-=(150-25)/80≒1.6℃/w

從(1)式可得

θj-a=(tjmax-ta)/pdc=(150-60)/15=6℃/w

從(4)式可得

θf=θj-a－(θi＋θc＋θs)≒6－(1.6+0.8)=3.6℃/w

根據(jù)上述計算散熱器的熱阻抗須選用3.6℃/w以下的散熱器.從散熱器散熱面積設(shè)計圖中可以查到:使用2mm厚的鋁材至少要200cm2,因此需選用140*140*2mm以上的鋁散熱器.

注：在實際運用中，tjmax必須降額使用，以80%額定節(jié)溫來代替tjmax確保功率管的可靠工作。

3、自然風(fēng)冷與強制風(fēng)冷

在開關(guān)電源的實際設(shè)計過程中，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強制風(fēng)冷二種形式。自然風(fēng)冷的散熱片安裝時應(yīng)使散熱片的葉片豎直向上放置，若有可能則可在pcb上散熱片安裝位置的周圍鉆幾個通氣孔便于空氣的對流。

強制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強制空氣對流，所以在風(fēng)道的設(shè)計上同樣應(yīng)使散熱片的葉片軸向與風(fēng)扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風(fēng)效果越是散熱量大的器件越應(yīng)靠近排氣風(fēng)扇，在有排氣風(fēng)扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：

4、金屬pcb

隨著開關(guān)電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運用到實際產(chǎn)品中，這時散熱片難于安裝到功率器件上。當(dāng)前克服該問題重要采取金屬pcb作為功率器件的載體，重要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬pcb的散熱性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的pcb且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯pcb，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導(dǎo)熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，它是可以雙面貼裝smd元件，大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬pcb上，利用金屬pcb中的金屬板來散熱。

5、發(fā)熱元件的布局

開關(guān)電源中重要發(fā)熱元件有大功率半導(dǎo)體及其散熱器，功率變換變壓器，大功率電阻。發(fā)熱元件的布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小，由小到大排列，發(fā)熱量越小的器件越要排在開關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處，發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇。

為了提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將多個功率器件固定在同一個大散熱器上，這時應(yīng)盡量使散熱片靠近pcb的邊緣放置。但與開關(guān)電源的外殼或其它部件至少應(yīng)留有1cm以上的距離。若在一塊電路板中有幾塊大的散熱器則它們之間應(yīng)平行且與風(fēng)道的風(fēng)向平行。在垂直方向上則發(fā)熱小的器件排在最低層而發(fā)熱大的器件排在較高處。

發(fā)熱器件在pcb的布局上同時應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對溫度敏感的元器件，如電解電容等。

6、結(jié)語

開關(guān)電源的熱設(shè)計應(yīng)充分考慮產(chǎn)品所處的工作環(huán)境及實際的工作狀態(tài)并將上述幾種方法綜合運用才能設(shè)計出既經(jīng)濟又能充分保證半導(dǎo)體散熱的開關(guān)電源產(chǎn)品。