隨著如今開關電源產業的迅速發展，其產品也逐漸向小型化、高頻化、高功率密度方向邁進。這些發展趨勢都對開關電源的散熱性能產生了更為苛刻的要求。高頻、高功率密度化必然導致電子元器件過熱，尤其是開關電源中的功率器件會產生更多的熱量。若熱量不及時排除，將引起電子電路板的熱流密度過高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內部的溫升超過極限值時，將導致元器件失效。國外統計資料表明，電子元器件的溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升為50℃時，壽命只有25℃時的1/6。如今，開關電源的電路可靠性熱設計和熱評估工作在設計過程中尚屬薄弱環節，大部分設計人員仍停留在依靠整機環境試驗過關的狀況。雖然對電路進行了一定的熱設計，并實施了一定的熱控制措施，但未對其熱設計的效果進行有效的評估，致使電源內部個別過熱部件隱藏的故障隱患未能發現和排除，直接影響到整個電源的質量和可靠性。因此，在電路設計初期設計師就需要對熱設計進行深入的分析和研究，才能更好地解決產品設計中面臨的問題。
開關電源熱設計
1開關電源熱設計的基本概念和目標
所謂的熱設計就是利用熱傳遞特性，通過附加的冷卻措施，控制電子設備內部所有元器件的溫度，使其在設備所處的工作環境條件下不超過降額后規定的最高允許工作溫度的設計技術。
實施熱系統設計主要達到兩個目標。首先，確保任何元器件不超過降額后的最大工作結溫T，max﹔其次，在給定的有限空間和重量下，盡可能保持元器件的散熱性能。元器件廠商提供的數據手冊中，給出了元器件的最大工作結溫。若破壞了第一個準則，元器件將在幾分鐘內失效，若破壞了后者，就會影響系統的長期壽命。
2開關電源電路熱設計
在不影響產品本體性能的條件下，針對開關電源電路的具體要求，并結合元器件的熱分析，選擇合適的冷卻方式，是進行開關電源電路熱設計的主要工作。熱設計的原則:一是減少發熱量，即選用最優的控制方法和技術，如移相全橋技術，同步整流技術等;另外，選擇使用低功耗器件，減少發熱器件的數目，加大加粗印制線的寬度，提高電源效率;二是采用電源內部的熱交換機制，采用傳導、對流和輻射三種方式，如散熱器、風冷(自然對流和強迫風冷)、液冷(水和油)熱管等，將電源內部多余的熱量轉移。
熱系統分析實際上是歐姆定律的變形，有直接與電氣領域的元器件相對應的等效元件。電路中的每個元器件和節點對應實際設計結構中的一個物理結構體或表面，電源則對應電路中的一個發熱元器件，它產生可計算或測量的功率。損耗就是發熱，開關電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可忽略的因素。它不僅會影響到元器件的可靠性，而且對開關電源的輸出也產生影響。
功率器件的損耗主要包括開關損耗Pru、導通損耗Pc和門極驅動損耗Pg。表征功率器件熱能力的參數主要有結溫Tj和熱阻Ro。當結溫高于周圍環境溫度Ta時，Tj隨著溫差(Tj一Ta)的增大而增大，為了保證器件能夠長期正常工作，必須規定最大結溫Timax。Timax的大小是根據器件的封裝材料、芯片材料和可靠性的要求確定的。功率器件的散熱能力主要通過熱阻來表征。熱阻越大，散熱能力越差。熱阻主要分為內熱阻和外熱阻兩個部分:前者是器件本身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和器件的加工工藝有關;后者則與管殼的封裝形式有關。通常管殼的表面積越大，熱阻越小。功率器件的熱設計主要分為器件內部芯片的熱設計，封裝的熱設計，管殼的熱設計，以及功率器件實用熱設計。電源設計工程師的主要工作是針對功率器件的實用熱設計，其目的是通過計算功率器件的損耗，選擇合適的散熱器和合理的電路布局;通過散熱器的有效散熱，保證器件的結溫在安全的結溫之內，且能長期正常可靠地工作。
變壓器的損耗包括:鐵心的損耗(鐵損)和線圈的損耗(銅損)。變壓器的鐵損和銅損分別構成它的兩個熱源。由于熱輻射的原因，磁芯產生熱量的大部分直接散發到周圍空氣中，而小部分熱量則先傳遞給線圈，然后再由線圈散發到空氣中。同樣，線圈產生的熱量也有相似的傳熱方式，即部分直接散熱到空氣，另一部分則先傳遞給磁芯，再散發到空氣。隨著開關電源工作頻率的不斷提高，損耗(包括鐵心損耗和銅損)也在急劇增大。為了提高變壓器的功率密度和熱性能，以防止熱失效，除了需要研究其損耗減小技術(包括開發具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體材料和線圈設計技術)、封裝技術以及散熱技術外，還需積極研究包括熱模型以及溫度設計準則等熱設計技術。電源設計師應該針對變壓器的線圈設計技術.散熱技術、創建熱模型，以及利用熱仿真軟件等，進行深入的研究。
開關電源電路的熱設計流程
1)分析電源電路的布局結構，確定主要發熱單元;根據電路理論中的相關公式，求得各發熱單元的理論損耗值。
2)分析電源電路對應的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據熱設計理論，計算各個元器件的熱阻值;根據熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場分布特性，解出各節點的溫度值;根據熱路模型與電氣模型的對應關系，確立電氣模型。
3)建立該電路的3D熱模型。利用專業熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等)，根據流體力學和數值傳熱學原理，采用有限元體積法，對建立的模型進行數值計算﹔根據計算結果，得出最佳方案。
4）模型或樣機試驗分析。通過對模型或樣機測試測量，檢驗理論計算與試驗結果的偏差程度。
5)除了熱設計，還應考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協同設計。
開關電源熱設計模型的相關參數
下面以功率開關管為例，介紹熱設計的相關參數，如圖1所示。結點處的溫度最高，熱量將根據熱平衡原理，從圖1的左邊流動到右邊，最后到達通風的自然環境。使用熱導體，將熱量傳導到較遠的熱交換器。傳導率Q通過傅里葉定律確定:
式中，Q為熱流(J/s(W));Td是熱導體兩端的溫差(℃);A是截面積;L為導體長度;R。是熱阻。
上述定律只能用于一般的固熱導體。如果采用散熱管散熱，它的散熱機理屬于內部冷卻劑的氣化潛伏熱，內部熱阻是非線性的，上面等式就失效了。
各接觸面的溫度(即熱源)可根據熱轉移路徑上的熱流和熱阻建立熱平衡方程求得。其表達式為:
由(4)式可知，熱交換器的溫度可以通過測溫設備(簡易的如熱電偶)測量得到，并且已知熱阻大小(可通過廠商的數據手冊獲得)，即可計算出熱流和結點處的損耗。
實例分析
下面以一個實際的開關電源為例，介紹如何利用Ansoft軟件進行熱仿真。該開關電源電路的電氣參數列于表1。
仿真的主要參數
1)環境參數:電路外部環境溫度為22℃，空氣之間的對流系數為10W/m2·K，指數(FEXP)為0.1，輻射系數(radioemissivity)為0.05，輻射參考溫度為22℃。系統求解域定義為電路外殼體積的2倍。
2主要尺寸參數:電路外殼尺寸為200mm×70mm×30mm。
3)功耗參數:本例電源系統的主要發熱元件共有16個，電路中主要發熱器件各接觸面的損耗可由(4)式求得，其中變壓器的損耗可分別由文獻[3]中的銅損及鐵損的計算公式分別求得。本例中將計算得到的各個主要發熱元器件的功率損耗值，按照參數類型歸類整理，如表2所示。
材料參數:該電路中涉及的材料包括鋁合金、銅、塑料和電路基板材料-FR4。表3為元器件材料的主要參數。
仿真結果
根據主要發熱元器件的損耗計算公式，得到各損耗值，將其導入仿真軟件;利用Ansoft仿真軟件的內部求解器獲得實際電路的3D發熱模型，如圖2所示。從圖中可以清晰地看到電路內部及各個元器件上的熱量分布情況。根據仿真結果(圖2)可知，功率MOSFET上的熱量和變壓器的熱量最高(紅色部分)，這與從電路理論上分析求得的這兩種器件的功耗(見表2)相吻合。
熱設計是提高電源產品的質量和可靠性的重要手段，正日益受到電源業界的重視。本文從介紹電路內部主要發熱部件的發熱機理入手，簡單介紹了熱設計的一般設計流程;結合實際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內部的溫度場分布特性。該仿真結果為電路的初期熱設計或者后期散熱性能的進一步改進提供了依據，可為熱設計提供指導，推動設計進程，提高工作效率。
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