平板电视电源热设计研究

唐光友

摘 要 电子产品及其器件的温度对产品的可靠性有重要影响，不同等级的温度要求对产品成本将产生巨大影响。电源模块中导热、对流和辐射三种热交换方式同时存在，自然对流交换的热量达80%以上。分析电源模块中热量产生的机理，从方案原理优化，辅助散热增强等方面，系统优化电源散热管理，以强化产品可靠性及竞争力。

关键词 电源；导热；对流；辐射；辅助散热；散热器

中图分类号 TN94 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）195-0025-02

1 热设计的重要性

有研究表明，温度是引起电子设备故障的主要原因，在潮湿、粉尘、振动、温度等几项引起电子设备故障的主要原因中，与温度相关的故障原因占比达55%。另外，电子行业的10℃法则告诉我们：当芯片结温（Junction Temperature）在-20℃～140℃之间，芯片温度每降低10℃芯片失效率降低1倍。由此可见电子产品及其器件的温度对产品的可靠性有重要影响，不同等级的温度要求对产品成本也将产生巨大影响，因此，对电子产品的热设计进行研究探索的工作显得意义重大。

2 理论探索

2.1 热量之传递：温度差是热量传递之根本原因

热量的传递存在两个特点，第一个是热量总是从温度高的区域流向温度低的区域，第二个是释放的热量等于吸收的热量。

热量的传递途径有3种方式，分别是导热、对流传热和辐射传热。在一个热管理系统中，3种热传递方式通常是同时存在的。对于个体的散热管理系统，通常设计一种或两种散热方式起主导作用。在对系统研究时，应充分考虑系统的应用场景、可靠性要求、成本控制等进行主要散热方式选择设计。

2.2 导热

热学第一定律即傅立叶定律：通过特定截面的热流量与该截面积成正比，也与温度变化率成正比。

Q ——传导的热量，单位W

K——导热系数，单位W/（m·℃），属物性

参数

A——导体横截面积，单位m2

⊿t——传热路径两端温差，单位℃

L——传热路径长度，单位m

从公式可以看出，一种材料的导热系数和热交换量成正比。因此在导热设计时，可采用高导热系数材料来增强换热效果。

2.3 对流

对流换热：流体流过物体表面时发生的热量交换过程称为对流换热。流体的流动不是由设计的外力引导发生的称为自然对流。流体的运动由设计的外力引导发生的称为强制对流。对流换热可定量为：

Q——对流换热量，单位 W

hc——换热系数，单位W/（m2·℃）

A——有效换热面积，单位m2

⊿t——换热表面与流体温差，单位℃

从公式可以看出，对流换热量与有效换热面积、换热系数和温差直接相关。换热系数是一个综合变量，它的数值与表面的粗糙度、表面和流体的相对热特性、流速、流向等因数有关。有效换热面积可采用增加散热器叶片数量等结构方式获得，但增加换热表面积需要考虑不影响换热系数为限，需要实际测试验证。

2.4 辐射

辐射：物体以电磁波形式传递能量的过程。辐射能在真空中传递能量，且有能量形式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。

Q——辐射散热量，W；

e——散热表面的黑度；

s——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67?10-8（W/m2·K4）；

T1、T2——分别为物体和环境的绝对温度，K。

辐射换热常常在自然对流系统或者有太阳辐射环境（室外或者太空）中考虑。增强辐射换热效果的主要方法对表面进行氧化处理（如黑色阳极氧化），以提高换热表面的黑度。

2.5 电源模块换热方式解析

实际上电源模块中3种热交换方式是同时存在的，只是根据工程需要对其中某一种换热进行强化处理，电源模块中80%以上的热量是通过自然对流方式传递到空气中，导热作为一种重要的热交换方式存在于每一条热路中，辐射传热在整个模块中的换热量为10%左右。图1简述了电源模块中热量的几种传递方式。

3 电源模块热分析及温度控制

3.1 电源热量的产生

开关电源在进行电压变换的工作过程中会存在功率损失，损失的功率可视为电路中各器件工作过程的热量输出，因此电源模块的热耗等于功率损失，即电源输入功率与输出功率之差。

3.2 电源热量分布

开关电源在工作过程中，电压变换电路的功率损失主要集中在功率开关和输出整流部分，这两部分的功率损失占整个电源功率损失约90%，另外磁性器件和其它电路各占电源功率损失的5%。圖3概述了开关电源中各种功率损失的类型。

3.3 电源产品温度控制

1）电路方案优化。优化电路方案的目的在于提高电源转换效率，降低损耗，可以通过以下方式优化：（1）减少或消除开关期间的电压电流乘积，在基本PWM变换器内的这种波形微调使电源的效率增加5%～10%。（2）改进半导体器件和铁氧体磁材料，使开关频率提高，效率比双极型晶体管的设计提高了5%～10%。（3）降低主要损耗的各种技术：无损吸收电路、有源钳位电路、准谐振改进电路。

2）增加辅助散热。根据对功率损耗的评估，合理制定辅助散热方案，辅助散热方案的选用对产品可靠性及成本控制有重要影响，需要重点研究。目前平板电视电源产品主要以自然风冷方式进行辅助散热，这一方式结构简单、可靠，成本低，适合于低密度热流系统。以下是列举概述一些常用的辅助散热方法：（1）自然风冷：散热器散热，结构简单，成本低，可靠性高，适合于低热流密度系统。（2）强迫风冷：风机+散热器散热，散热能力较好，用于较大热流密度系统。（3）热管+风冷：热管+散热器或热管+风机+散热器散热，散热能力强，用于较大热流密度而内部空间受限的系统。（4）其它散热系统。（5）冷板、沸腾换热、微通道换热、微槽群沸腾换热等。

3.4 散热器优化设计——散热器优化设计目标：最低的热阻、最好的换热效果

自然风冷条件下，散热器的设计选用显得更为重要，对散热器优化设计的目标是发挥材料的最大换热能力，提升散热器性价比。以下为一些散热器优化设计方法：（1）自然对流换热系统中，对散热器进行表面氧化处理，提高表面黑度，能有效增加辐射换热能力。（2）采用导热系数优良的材料，如纯铝6063、铜1100等。（3）优化设计散热器鳍片宽度及间距尺寸，提高有效散热面积。（4）在散热鳍片表面增加波纹，增强气流扰动，可以提高换热能力。（5）增大散热器基板厚度，可以提高抗热冲击能力。

4 结论

总之，开关电源的热设计研究是一项涉及多学科知识的工作，需要扎实的理论知识作为指导，同时热设计研究又具有很强的实践性，需要不断的经验积累，在实践中总结，总结中不断改进和完善。

参考文献

[1]林志华.平板电视节能技术设计应用[J].电视技术，2009.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]张占松，张心益.开关电源技术教程[M].北京：机械工业出版社，2012.endprint