【導(dǎo)讀】在電源設(shè)計(jì)中，良好的熱管理是確?？煽啃?、高效率和長壽命的關(guān)鍵。隨著功率密度的提升，有效的散熱對于防止過熱和元器件失效至關(guān)重要。本文回顧了四種主要散熱方法：自然對流、強(qiáng)制空冷、導(dǎo)熱和液冷，并介紹了最佳實(shí)踐、常見設(shè)計(jì)陷阱和仿真工具。本文還特別提到了ADI控制器在不同應(yīng)用場景下支持熱調(diào)控的優(yōu)勢。糟糕的熱規(guī)劃可能導(dǎo)致電源性能下降、壽命縮短或系統(tǒng)故障。通過在設(shè)計(jì)過程中盡早整合熱策略，工程師可以構(gòu)建更穩(wěn)健、更高效的電源系統(tǒng)。
引言
熱量是影響電子系統(tǒng)可靠性的主要因素之一。電源是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心組件，而其中產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能顯著影響性能和系統(tǒng)完整性。電源電路將電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓，廣泛應(yīng)用于從消費(fèi)電子設(shè)備到航空航天系統(tǒng)的各類場景。對更小巧、更強(qiáng)大設(shè)計(jì)的追求導(dǎo)致功率密度不斷上升，熱管理因此已成為一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
熱源包括功率晶體管中的開關(guān)瞬變、感性元件中的磁損耗、半導(dǎo)體中的漏電流等。如果不加以管理，這種熱量積累可能導(dǎo)致電氣性能下降、平均無故障時(shí)間(MTBF)縮短，甚至發(fā)生災(zāi)難性的元器件故障。因此，為了在各種負(fù)載和環(huán)境條件下保持高效率與可靠性，有效的散熱策略至關(guān)重要。
本文探討了四種成熟的散熱方法，每種方法都各有特點(diǎn)，適合不同的運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)約束條件。通過了解這些方法的技術(shù)利弊，工程師可以做出明智的決策，平衡性能、可靠性、成本與復(fù)雜性，確保電源安全高效地運(yùn)行。
電源中的熱源
熱量來自MOSFET和二極管等半導(dǎo)體器件。這些器件在工作過程中會因?yàn)閷?dǎo)通損耗和開關(guān)損耗而產(chǎn)生能量耗散，從而形成熱量。變壓器和電感等磁元件會因繞組中的銅損耗及磁滯和渦流引起的磁芯損耗而產(chǎn)生熱量，而阻性元件和控制電路也會增加少許熱量。
1.MOSFET（開關(guān)晶體管）：因?qū)〒p耗（當(dāng)電流流過導(dǎo)通電阻時(shí)）和開關(guān)損耗（開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)）而產(chǎn)生熱量。這些損耗在高頻率和大電流下會顯著上升，因此MOSFET是SMPS設(shè)計(jì)中的主要熱源之一。
導(dǎo)通損耗：
其中：
? Irms：流過MOSFET的RMS電流
? RDS(ON)：漏極到源極導(dǎo)通電阻
開關(guān)損耗：
其中：
? Vds：漏源電壓
? Id：漏極電流
? ton、toff：開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間
? fsw：開關(guān)頻率
? 0.5：假設(shè)開關(guān)期間電壓和電流線性疊加
2. 二極管（整流器）：產(chǎn)生熱量的主要原因是電流流過其中時(shí)會產(chǎn)生正向壓降，導(dǎo)致電能在導(dǎo)通期間以熱量形式耗散。在高速開關(guān)應(yīng)用中，當(dāng)二極管從正偏過渡到反偏時(shí)，存儲的電荷會被移除，這被稱為反向恢復(fù)，在此期間會產(chǎn)生額外的損耗。
其中：
? Vf：正向壓降（硅二極管為0.7V，肖特基二極管為0.3V）
? Iavg：流過二極管的平均電流
3. 電感/變壓器：產(chǎn)生熱量的主要原因是繞組中的銅損耗（電阻發(fā)熱）及磁芯損耗（磁材料中的磁滯和渦流引起）。兩種損耗都會隨著電流、頻率和磁通密度的提高而增加，因此需要仔細(xì)選擇材料和設(shè)計(jì)。
銅損耗：
其中：
? Irms：繞組中的RMS電流
? Rwinding：繞組的直流電阻
磁芯損耗（Steinmetz方程）：
其中：
? k：Steinmetz系數(shù)（取決于材料）
? f：頻率(kHz)
? B：峰值磁通密度（特斯拉）
? α、β：Steinmetz指數(shù)（通常α ≈ 1.3–1.6，β ≈ 2.0–2.8）
? Vcore：磁芯體積（cm3或m3）
4. 電容：因等效串聯(lián)電阻(ESR)而產(chǎn)生熱量；當(dāng)紋波電流流過其中時(shí)會耗散能量。此效應(yīng)在ESR較高的電解電容中更為明顯，會導(dǎo)致電源濾波器局部發(fā)熱。
其中：
? Iripple：流過電容的紋波電流
? ESR：等效串聯(lián)電阻
5. 集成電路(IC)：以結(jié)溫（封裝內(nèi)半導(dǎo)體裸片的溫度）的形式向系統(tǒng)傳遞熱量。設(shè)計(jì)人員常利用下式計(jì)算該溫度：
其中：
? Tj：結(jié)溫(°C)
? Ta：環(huán)境溫度(°C)
? θja：結(jié)至環(huán)境熱阻（°C/W）
? Pd：功耗(W)
較高的電流、電壓和開關(guān)頻率，不僅會增加功率損耗，也會使元器件溫度升高。因此，熱管理對于設(shè)計(jì)至關(guān)重要。應(yīng)盡量降低此類損耗，為此需要仔細(xì)選擇元器件、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，并采取有效的散熱策略。解決發(fā)熱問題不僅能提高效率，還能延長電源系統(tǒng)的壽命。
電源散熱方法
自然對流冷卻
這是一種被動散熱方法，利用空氣在浮力作用下的自然對流運(yùn)動。當(dāng)電子元器件溫度升高時(shí)，周圍的空氣會因受熱而密度降低并向上升騰，而較冷的空氣會流入以取代之。這樣就在無需機(jī)械輔助的情況下，在發(fā)熱元器件周圍產(chǎn)生持續(xù)的空氣流動。圖1展示了對流冷卻情形下的空氣流動。
圖1.電源的對流散熱
自然對流的有效性取決于多個(gè)因素，包括元器件的方向、外殼的幾何形狀以及環(huán)境溫度。通常使用散熱器來增加可用于散熱的表面積，散熱器的設(shè)計(jì)（如鰭片、材料和布局等）是優(yōu)化熱性能的關(guān)鍵。
優(yōu)點(diǎn)包括低噪聲運(yùn)行、維護(hù)工作量極小和高可靠性，因?yàn)椴淮嬖诨顒硬考?。它特別適合低功耗應(yīng)用，以及對噪聲和機(jī)械磨損控制要求較高的環(huán)境。局限性包括散熱能力相對較低，且依賴環(huán)境氣流。在高功率或高密度系統(tǒng)中，環(huán)境氣流可能難以提供充分的散熱支持。
強(qiáng)制風(fēng)冷
通過風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)使空氣主動流過元器件以增強(qiáng)散熱效果的散熱方法。這種方法通過提高對流熱傳遞系數(shù)，使散熱器、變壓器和開關(guān)器件等元器件表面的熱量能被更高效地帶走。圖2顯示了在電源中使用風(fēng)扇時(shí)空氣的流動情況。
圖2.電源的強(qiáng)制風(fēng)冷
從設(shè)計(jì)角度來看，強(qiáng)制風(fēng)冷需要仔細(xì)管理氣流風(fēng)道，避免形成熱點(diǎn)并確保均勻散熱。設(shè)計(jì)人員必須考慮風(fēng)扇布局、氣流方向、風(fēng)道規(guī)劃和聲學(xué)降噪。精準(zhǔn)控制并監(jiān)測風(fēng)扇速度也很重要，有助于在散熱性能、能耗和噪聲水平之間取得最佳平衡。
優(yōu)點(diǎn)包括可擴(kuò)展（支持更高功率水平）、易于實(shí)施以及兼容緊湊型設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)包括存在機(jī)械磨損和潛在故障點(diǎn)、需要定期維護(hù)以及會產(chǎn)生噪聲。在多塵或潮濕環(huán)境中，氣流可能會受到阻礙或污染，因此強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的效果可能較差。
導(dǎo)熱冷卻
這總方法涉及通過物理接觸將熱量直接從元器件轉(zhuǎn)移到散熱器或機(jī)殼。在氣流受阻或灰塵、濕氣、振動使風(fēng)扇散熱不可行的密封或嚴(yán)苛環(huán)境中，這種方法特別有用。圖3展示了如何在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱冷卻。
通常使用導(dǎo)熱墊、導(dǎo)熱膏、相變材料等熱界面材料(TIM)來改善表面之間的熱導(dǎo)率。導(dǎo)熱冷卻的效率取決于導(dǎo)熱路徑的熱阻、材料特性（例如銅還是鋁）以及可用于熱傳遞的表面積。
優(yōu)點(diǎn)包括高可靠性、適合惡劣環(huán)境并且沒有活動部件。缺點(diǎn)包括與主動方法相比散熱能力有限，而且需要精準(zhǔn)機(jī)械設(shè)計(jì)才能確保有效熱接觸。
圖3.電源的導(dǎo)熱冷卻
液冷
高性能散熱方法，采用循環(huán)冷卻劑吸收并帶走元器件中的熱量。冷卻劑流過附著于熱源的冷板或熱交換器，吸收的熱量隨后通過散熱器或外部冷卻系統(tǒng)散發(fā)。圖4顯示了一種液冷方法。
圖4.液冷方法
從技術(shù)上講，液冷在導(dǎo)熱效率和熱容量方面均優(yōu)于風(fēng)冷，能夠在緊湊空間內(nèi)為高功率元器件高效散熱。然而，它需要泵、管道、儲液器和防漏連接，因此系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本可能更高。優(yōu)點(diǎn)包括散熱性能出色、噪聲較低，適用于高密度或高功率應(yīng)用。缺點(diǎn)包括成本增加、存在泄漏可能性，需要定期維護(hù)以確保系統(tǒng)完整性和冷卻劑質(zhì)量。
熱設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐
有效的熱設(shè)計(jì)需要綜合考慮電氣、機(jī)械和環(huán)境因素。以下是確保熱性能最佳的關(guān)鍵實(shí)踐。
熱預(yù)算與功耗分析：首先基于最不利情況，準(zhǔn)確估算每個(gè)元器件的功耗。包括開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗和磁損耗。使用仿真工具和數(shù)據(jù)手冊值計(jì)算結(jié)溫并確保熱裕量足夠。
PCB布局優(yōu)化：使用寬銅平面和熱通孔來擴(kuò)散熱量。圖5展示了如何使用熱通孔來擴(kuò)散熱量。將高功率元器件放置在散熱器或熱路徑附近。避免將熱敏感元器件放置在熱源附近?？紤]使用內(nèi)置熱擴(kuò)散層的多層板。
圖5.有和無熱通孔兩種情況下熱量在PCB中的擴(kuò)散
散熱器的選擇和安裝：根據(jù)熱阻、氣流兼容性和安裝約束選擇散熱器?？紤]鰭片幾何形狀、方向和表面處理（如陽極氧化）以增強(qiáng)散熱。
氣流管理：設(shè)計(jì)氣流路徑，使氣流平穩(wěn)順暢并呈層流狀態(tài)。避免急轉(zhuǎn)彎、障礙物及回流區(qū)。使用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)工具進(jìn)行氣流仿真并優(yōu)化風(fēng)道。確保進(jìn)氣口和排氣口的尺寸與位置適當(dāng)。
主動散熱控制：利用溫度反饋實(shí)施動態(tài)風(fēng)扇控制。根據(jù)熱負(fù)荷，采用脈寬調(diào)制(PWM)或電壓控制來調(diào)整風(fēng)扇速度。提供風(fēng)扇故障檢測和過溫警報(bào)功能。
環(huán)境考慮因素：考慮環(huán)境溫度、高度（影響空氣密度）、濕度和污染等因素。在惡劣環(huán)境中應(yīng)使用保形涂層或密封外殼。針對高海拔或高溫工況，應(yīng)考慮讓元器件降額運(yùn)行。
熱設(shè)計(jì)的常見陷阱
熱設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤往往不易察覺，卻可能對系統(tǒng)的可靠性和性能造成顯著影響。最常見的錯(cuò)誤之一是低估發(fā)熱量，尤其是在峰值負(fù)載或最不利環(huán)境條件下。設(shè)計(jì)人員可能依賴典型工況值，而忽視瞬態(tài)尖峰或熱量累積效應(yīng)，導(dǎo)致熱過載。另一個(gè)常見問題是TIM涂覆不當(dāng)。不均勻或過量涂覆可能會困住空氣、提高熱阻，降低導(dǎo)熱冷卻的有效性。同樣，如果氣流風(fēng)道規(guī)劃不當(dāng)，例如風(fēng)扇位置不合理或通風(fēng)口受阻，就可能產(chǎn)生回流區(qū)和熱點(diǎn)，從而影響強(qiáng)制風(fēng)冷的效率。
元器件布局對熱行為也起著關(guān)鍵作用。對熱敏感的元器件如果太靠近高功率器件，就可能承受過多的熱量，致使其性能受影響或提前失效。長期可靠性常被忽視。風(fēng)扇會退化，TIM會干燥，灰塵積聚可能會阻塞氣流，所有這些都會隨著時(shí)間的推移削弱散熱效果。還有一個(gè)陷阱是跳過熱仿真和實(shí)際測試，單靠數(shù)據(jù)手冊值或理論模型可能導(dǎo)致預(yù)測不準(zhǔn)確。最后，錯(cuò)誤判斷環(huán)境因素，如海拔、濕度或外殼密封等，可能會導(dǎo)致意想不到的熱挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)過程中盡早解決這些潛在問題，有助于確保電源設(shè)計(jì)穩(wěn)健可靠。
ADI熱管理控制器
ADI公司提供全面的熱管理解決方案組合，可滿足不同的電源或系統(tǒng)需求，并支持多種散熱方式。這些控制器和集成電路能夠精準(zhǔn)控制溫度調(diào)節(jié)、風(fēng)扇運(yùn)行和熱電散熱過程，助力工程師設(shè)計(jì)出既高效又可靠的系統(tǒng)。
智能風(fēng)扇控制器
MAX31785是一款六通道智能風(fēng)扇控制器，專為服務(wù)器、電信設(shè)備、工業(yè)電源等高密度系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它支持PWM控制和閉環(huán)RPM控制，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)溫度反饋精準(zhǔn)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。憑借六路獨(dú)立的PWM輸出，它可同時(shí)控制多個(gè)風(fēng)扇，并配備I2C/SMBus接口，支持與主機(jī)系統(tǒng)無縫通信。這款控制器支持多達(dá)12路轉(zhuǎn)速計(jì)輸入（每個(gè)風(fēng)扇兩路），在現(xiàn)代系統(tǒng)中非常先進(jìn)，深受用戶青睞。圖6顯示了MAX31785評估板，它連接了一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行測試。
圖6.MAX31785評估套件
這款控制器通過多達(dá)六個(gè)遠(yuǎn)程熱二極管和一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器來監(jiān)測溫度，并提供針對風(fēng)扇故障或熱異常的故障檢測功能及警報(bào)功能。它具有靈活可調(diào)的風(fēng)扇速度曲線，有助于優(yōu)化聲學(xué)性能和熱效率，因此非常適合應(yīng)用于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)。在強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)中，動態(tài)氣流控制對于維護(hù)系統(tǒng)可靠性并降低噪聲至關(guān)重要。
適用于精密散熱的TEC控制器
ADN8834是一款獲得專利的高效單電感熱電冷卻器(TEC)控制器，經(jīng)過專門優(yōu)化，能夠精準(zhǔn)控制光模塊和激光二極管等導(dǎo)熱冷卻系統(tǒng)的溫度。單電感方案優(yōu)勢明顯，尤其是與需要兩個(gè)電感的常規(guī)設(shè)計(jì)相比，不僅節(jié)省空間，而且更具成本效益。它集成了一個(gè)降壓控制器，能夠以最高1.5A電流驅(qū)動TEC，并內(nèi)置一個(gè)比例-積分-微分(PID)控制回路，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)熱調(diào)節(jié)。它還支持通過熱敏電阻或二極管傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測，并且運(yùn)行噪聲非常低，適合于對噪聲敏感的模擬系統(tǒng)。憑借緊湊的尺寸和可編程的PID參數(shù)，它能夠在空間受限的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)校的熱響應(yīng)。圖7展示了如何將這款控制器集成到TEC系統(tǒng)中。
圖7.TEC系統(tǒng)
熱仿真工具
仿真工具對于預(yù)測熱流、優(yōu)化散熱策略以及在原型制作之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要。Ansys Icepak提供先進(jìn)的CFD建模能力，可用于模擬氣流和熱傳遞過程，是高密度電子設(shè)計(jì)的理想工具。COMSOL Multiphysics?支持耦合物理仿真，適合于分析熱行為與電氣或機(jī)械行為相互作用的系統(tǒng)。SolidWorks Flow Simulation直接與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)集成，能夠快速分析外殼和機(jī)械組件的熱性能。Mentor Graphics? FloTHERM?專注于PCB和系統(tǒng)級熱建模，廣泛應(yīng)用于電信和航空航天領(lǐng)域。這些工具有助于工程師及早識別熱瓶頸，減少設(shè)計(jì)迭代，確保符合可靠性標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語
有效的散熱對于電源的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。從自然對流、強(qiáng)制風(fēng)冷、導(dǎo)熱到液冷，每種散熱方法都各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)。自然對流簡單且安靜，但散熱能力有限。強(qiáng)制風(fēng)冷在擴(kuò)展性和散熱效率上表現(xiàn)出色，但需要引入復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。導(dǎo)熱冷卻結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且運(yùn)行可靠，適合密封環(huán)境，而液冷在高功率應(yīng)用中性能優(yōu)異，但系統(tǒng)復(fù)雜度較高。
通過了解技術(shù)原理和限制，應(yīng)用熱設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐，避免常見陷阱，并充分利用仿真工具，工程師便能做出符合應(yīng)用需求的明智決策。ADI依托全面的熱管理控制器產(chǎn)品組合，為各類系統(tǒng)應(yīng)用提供精準(zhǔn)、可靠的散熱支持。
作者簡介
Hermogenes Escala是ADI公司歐洲、中東及非洲地區(qū)(EMEA)中央應(yīng)用中心(CAC)的應(yīng)用工程師。他深耕開關(guān)電源(SMPS)與電源管理領(lǐng)域，具有豐富的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)和深厚的技術(shù)見解。他擁有菲律賓東米沙鄢州立大學(xué)(EVSU)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位和菲律賓馬普阿大學(xué)電力電子研究生文憑。
加入ADI前，Hermo曾在多個(gè)行業(yè)擔(dān)任設(shè)計(jì)與技術(shù)支持職務(wù)，涉足汽車儀表盤、音響系統(tǒng)、多領(lǐng)域電源設(shè)計(jì)及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這些經(jīng)歷讓他對實(shí)際工程中的挑戰(zhàn)形成了全面而務(wù)實(shí)的認(rèn)知。他熱衷于創(chuàng)新與持續(xù)學(xué)習(xí)，擅長將復(fù)雜技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，搭建起二者之間的橋梁。
