随着如今开关电源产业的迅速发展，其产品也逐渐向小型化、高频化、高功率密度方向迈进。这些发展趋势都对开关电源的散热性能产生了更为苛刻的要求。高频、高功率密度化必然导致电子元器件过热，尤其是开关电源中的功率器件会产生更多的热量。若热量不及时排除，将引起电子电路板的热流密度过高，影响电路的可靠性和寿命。电源电路内部的温升超过极限值时，将导致元器件失效。国外统计资料表明，电子元器件的温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升为50℃时，寿命只有25℃时的1/6。如今，开关电源的电路可靠性热设计和热评估工作在设计过程中尚属薄弱环节，大部分设计人员仍停留在依靠整机环境试验过关的状况。虽然对电路进行了一定的热设计，并实施了一定的热控制措施，但未对其热设计的效果进行有效的评估，致使电源内部个别过热部件隐藏的故障隐患未能发现和排除，直接影响到整个电源的质量和可靠性。因此，在电路设计初期设计师就需要对热设计进行深入的分析和研究，才能更好地解决产品设计中面临的问题。

开关电源热设计

1开关电源热设计的基本概念和目标

所谓的热设计就是利用热传递特性，通过附加的冷却措施，控制电子设备内部所有元器件的温度，使其在设备所处的工作环境条件下不超过降额后规定的最高允许工作温度的设计技术。

实施热系统设计主要达到两个目标。首先，确保任何元器件不超过降额后的最大工作结温T，max﹔其次，在给定的有限空间和重量下，尽可能保持元器件的散热性能。元器件厂商提供的数据手册中，给出了元器件的最大工作结温。若破坏了第一个准则，元器件将在几分钟内失效，若破坏了后者，就会影响系统的长期寿命。

2开关电源电路热设计

在不影响产品本体性能的条件下，针对开关电源电路的具体要求，并结合元器件的热分析，选择合适的冷却方式，是进行开关电源电路热设计的主要工作。热设计的原则:一是减少发热量，即选用最优的控制方法和技术，如移相全桥技术，同步整流技术等;另外，选择使用低功耗器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源效率;二是采用电源内部的热交换机制，采用传导、对流和辐射三种方式，如散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水和油)热管等，将电源内部多余的热量转移。

热系统分析实际上是欧姆定律的变形，有直接与电气领域的元器件相对应的等效元件。电路中的每个元器件和节点对应实际设计结构中的一个物理结构体或表面，电源则对应电路中的一个发热元器件，它产生可计算或测量的功率。损耗就是发热，开关电源电路中功率器件的损耗和变压器的损耗是不可忽略的因素。它不仅会影响到元器件的可靠性，而且对开关电源的输出也产生影响。

功率器件的损耗主要包括开关损耗Pru、导通损耗Pc和门极驱动损耗Pg。表征功率器件热能力的参数主要有结温Tj和热阻Ro。当结温高于周围环境温度Ta时，Tj随着温差(Tj一Ta)的增大而增大，为了保证器件能够长期正常工作，必须规定最大结温Timax。Timax的大小是根据器件的封装材料、芯片材料和可靠性的要求确定的。功率器件的散热能力主要通过热阻来表征。热阻越大，散热能力越差。热阻主要分为内热阻和外热阻两个部分:前者是器件本身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和器件的加工工艺有关;后者则与管壳的封装形式有关。通常管壳的表面积越大，热阻越小。功率器件的热设计主要分为器件内部芯片的热设计，封装的热设计，管壳的热设计，以及功率器件实用热设计。电源设计工程师的主要工作是针对功率器件的实用热设计，其目的是通过计算功率器件的损耗，选择合适的散热器和合理的电路布局;通过散热器的有效散热，保证器件的结温在安全的结温之内，且能长期正常可靠地工作。

变压器的损耗包括:铁心的损耗(铁损)和线圈的损耗(铜损)。变压器的铁损和铜损分别构成它的两个热源。由于热辐射的原因，磁芯产生热量的大部分直接散发到周围空气中，而小部分热量则先传递给线圈，然后再由线圈散发到空气中。同样，线圈产生的热量也有相似的传热方式，即部分直接散热到空气，另一部分则先传递给磁芯，再散发到空气。随着开关电源工作频率的不断提高，损耗(包括铁心损耗和铜损)也在急剧增大。为了提高变压器的功率密度和热性能，以防止热失效，除了需要研究其损耗减小技术(包括开发具有良好高频损耗特性的新型功率铁氧体材料和线圈设计技术)、封装技术以及散热技术外，还需积极研究包括热模型以及温度设计准则等热设计技术。电源设计师应该针对变压器的线圈设计技术.散热技术、创建热模型，以及利用热仿真软件等，进行深入的研究。

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。

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。