开关电源电路的热设计流程

1)分析电源电路的布局结构，确定主要发热单元;根据电路理论中的相关公式，求得各发热单元的理论损耗值。

2)分析电源电路对应的热路，确定传热途径，绘出等效的热模型。根据热设计理论，计算各个元器件的热阻值;根据热路图建立热平衡方程式，分析温度场分布特性，解出各节点的温度值;根据热路模型与电气模型的对应关系，确立电气模型。

3)建立该电路的3D热模型。利用专业热仿真软件(如Flotherm、ANSYS等)，根据流体力学和数值传热学原理，采用有限元体积法，对建立的模型进行数值计算﹔根据计算结果，得出最佳方案。

4）模型或样机试验分析。通过对模型或样机测试测量，检验理论计算与试验结果的偏差程度。

5)除了热设计，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性的协同设计。

开关电源热设计模型的相关参数

下面以功率开关管为例，介绍热设计的相关参数，如图1所示。结点处的温度最高，热量将根据热平衡原理，从图1的左边流动到右边，最后到达通风的自然环境。使用热导体，将热量传导到较远的热交换器。传导率Q通过傅里叶定律确定:

式中，Q为热流(J/s(W));Td是热导体两端的温差(℃);A是截面积;L为导体长度;R。是热阻。

上述定律只能用于一般的固热导体。如果采用散热管散热，它的散热机理属于内部冷却剂的气化潜伏热，内部热阻是非线性的，上面等式就失效了。

各接触面的温度(即热源)可根据热转移路径上的热流和热阻建立热平衡方程求得。其表达式为:

由(4)式可知，热交换器的温度可以通过测温设备(简易的如热电偶)测量得到，并且已知热阻大小(可通过厂商的数据手册获得)，即可计算出热流和结点处的损耗。

实例分析

下面以一个实际的开关电源为例，介绍如何利用Ansoft软件进行热仿真。该开关电源电路的电气参数列于表1。

仿真的主要参数

1)环境参数:电路外部环境温度为22℃，空气之间的对流系数为10W/m2·K，指数(FEXP)为0.1，辐射系数(radioemissivity)为0.05，辐射参考温度为22℃。系统求解域定义为电路外壳体积的2倍。

2主要尺寸参数:电路外壳尺寸为200mm×70mm×30mm。

3)功耗参数:本例电源系统的主要发热元件共有16个，电路中主要发热器件各接触面的损耗可由(4)式求得，其中变压器的损耗可分别由文献[3]中的铜损及铁损的计算公式分别求得。本例中将计算得到的各个主要发热元器件的功率损耗值，按照参数类型归类整理，如表2所示。

材料参数:该电路中涉及的材料包括铝合金、铜、塑料和电路基板材料-FR4。表3为元器件材料的主要参数。

仿真结果

根据主要发热元器件的损耗计算公式，得到各损耗值，将其导入仿真软件;利用Ansoft仿真软件的内部求解器获得实际电路的3D发热模型，如图2所示。从图中可以清晰地看到电路内部及各个元器件上的热量分布情况。根据仿真结果(图2)可知，功率MOSFET上的热量和变压器的热量最高(红色部分)，这与从电路理论上分析求得的这两种器件的功耗(见表2)相吻合。

总结

热设计是提高电源产品的质量和可靠性的重要手段，正日益受到电源业界的重视。本文从介绍电路内部主要发热部件的发热机理入手，简单介绍了热设计的一般设计流程;结合实际例子，利用仿真软件，模拟了电路内部的温度场分布特性。该仿真结果为电路的初期热设计或者后期散热性能的进一步改进提供了依据，可为热设计提供指导，推动设计进程，提高工作效率。