2.11 大功率散热器

开关电源长期安全运行的关键，除了电路设计之外，再就是散热器设计，散热器是将功率开关管、整流二极管产生的热量及时地散发掉，避免因散热不良致使管心温度超过结温，无法工作，甚至烧毁管子。

2.11.1 散热器的基本原理

热传递主要有三种方式：

1）热传导：物质本身或物质与物质相接触时，将其能量传递，称之为热传导，它是由能量较低的粒子和能量较高的粒子通过接触将能量进行传递。热传导的基本公式是Q=K·A·ΔT/ΔL。式中，K为热传导系数，传导系数越高，其比热的数值越低；ΔT是温度差；ΔL是传递物体与传递物体的距离。从公式知道，热量传递快慢与热传导系数、传热面积成正比，与距离成反比。

2）对流：对流是流体与固体表面接触，使流体从固体表面带走热所形成的热传递。对流分为自然对流和强制对流。对流的计算公式是Q=H·A·ΔT。式中，H为对流系数；A为热对流有效接触面积；ΔT为固体与流体之间的温度差。热对流系数越高、有效接触面积越大、温差越高，所带走的热量越多，效果越好。

3）热辐射：热辐射是一种不需接触，就能够发生热交换的传递方式。热辐射是通过短波来传递热能的，频率越高、波长越短，热辐射强度越大。热辐射的公式为Q=E·S·F（ΔTA-ΔTB）。式中，E为物体表面热辐射系数，它与物体表面光洁度、颜色有关；S是物体的表面积；F是辐射热交换的角度及它的表面函数；ΔTA-ΔTB是两物体表面温度之差，也叫差度。

2.11.2 散热器的设计

散热器是很多电子设备的重要器件，工作状态的好坏直接影响整机的可靠性。大功率开关管发热量大，仅靠自身的外壳散热无法满足要求，需要配置合理的散热器才能有效地散热，而散热器的选择是否合理，将直接影响功率器件的可靠性，因此，仔细分析散热器的散热性能，有利于合理选取散热器。

1．散热器的选取

散热器的选取首先考虑的是结构简单，加工方便，散热效果好。散热器的一般依据散热器的热阻来合理选择，还要考虑散热器的空间、气流流量和散热器的成本。散热器的效果与散热器的热阻大小密切相关，而热阻除了与散热器的材料有关之外，还与散热器的形状、尺寸大小、安装方式及环境通风等条件有关。而散热器的有效面积与散热几何参数密切相关。

2．散热器的热性能几何因素分析

散热器的几何因素对散热器的散热性能有很大影响，现以典型材料进行分析：功率器件LM317为热源，工作在自然冷却环境下，环境温度为30℃，功耗为3.2W，散热器材为SYX-YDE。热源与散热器表面接触热阻为0.9℃/W，根据开关电源视在功率计算出散热材料要上升的温度确定尺寸大小，利用散热器优化设计软件，比较优化前后几何参数的变化及对散热器热阻的影响。

计算覆铜板的热阻公式：

式中，KS为导热系数，KS=332kcal/（h·m·℃）；L、B、N为覆铜板长（m）、宽（m）、厚（m）；vS为风速（m/s）；A为总表面积（m2）。

上式与封装形式有关，当引脚直接焊到覆铜板时，为38℃/W；如果引脚不与敷铜板焊接时，接触热阻将达到62℃/W。

3．MOSEFT所用的散热计算

由多个散热片组成的散热器，通过热传导、对流、热辐射带来较多的散热效果。对于上述理论而言，接触面积无限大的散热器的热阻等于零，实际上是无法做到的，因为散热器占有空间有限，这就要求合理地选择散热器和计算其面积：

PM（max）=（Tj（max）-TA（max））/θ

式中，PM（max）为MOSEFT最大耗散功率（查资料手册）；Tj（max）为MOSEFT所允许承受的最高温度；TA（max）为设计电路工作时所处的最高环境温度；θ为热流所经过的总热阻：

θ=θjc+θcs+θsa

式中，θjc为MOS管的PN结到外壳的热阻（℃/W）；θcs为外壳到散热器的热阻（℃/W）；θsa为散热表面到周围空气的热阻（℃/W）。

常用的铝散热板及散热材料特性，在散热器优化设计过程中，合理选择散热器的几何尺寸，要保证散热器在体积小、重量轻的情况下达到最佳散热效果，如图2-23所示，为铝散热器与周围空气热阻关系曲线图。