設(shè)計(jì)應(yīng)用T業(yè)控制責(zé)任編輯:萬翀Dc/DC電源模塊散熱器的設(shè)計(jì)及熱分析Design and Thermal Analysis of DC/DC Power Supply Module Radiator■舒浙偉郭康賢彭超廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院(廣東廣州510006)摘要:溫度是影響DC/DC電源電路可靠性的重要因素之一。高、低溫及其循環(huán)會(huì)對大多數(shù)電子元器件產(chǎn)生嚴(yán)重影響。它會(huì)導(dǎo)致電子元器件的失效,進(jìn)而造成電源整機(jī)的失效。多芯片模塊(MCM)和高密度三維組裝技術(shù)的出現(xiàn)使得電子設(shè)備的熱流密度越來越高?？茖W(xué)合理地設(shè)計(jì)電子設(shè)備以滿足其熱性能的要求在電源模塊設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。熱管具有一種高效的傳熱能力,配以合理散熱鰭片,將提高散熱器的散熱效果。本文以數(shù)值傳熱理論為基礎(chǔ),通過3D設(shè)計(jì)軟件 Solidworks建立一套DC/DC電源模塊的散熱器模型,并利用熱流分析軟 EFD Pro對電源模塊進(jìn)行熱分析仿真技術(shù)研究。圖1熱管工作原理關(guān)詞:DC/DC電源模塊; EFD Pro;熱管;熱分析DC/Dc電源棋塊熱分析流程DO:10.3989issn.1005551720121.0101)分析電源電路的布局結(jié)構(gòu),然后確定主要發(fā)熱元器件引言源系統(tǒng)在允許的溫度下能夠穩(wěn)定可靠2)分析電源電路對應(yīng)的熱路,確隨著電子元器件的小型化、微小地工作定傳熱途徑,繪出等效的熱模型。型化,集成電路的高集成化和微組裝資料表明,為保證工作穩(wěn)定性和3)利用 Solidworks建立該電源散熱等的發(fā)展,元器件、組件的熱流密度延長使用壽命,芯片的最高溫度不得器的3D模型,然后利用專業(yè)熱仿真軟不斷提高,熱設(shè)計(jì)也正面臨著嚴(yán)峻的超過85C。器件的工作溫度每升高件 EFD Pro,根據(jù)流體力學(xué)和數(shù)值傳挑戰(zhàn)。電源散熱結(jié)構(gòu)的好壞直接影10℃,其失效率增加倍。為保證電熱學(xué)原理,結(jié)合實(shí)際的熱邊界條件,響到電源系統(tǒng)能否長時(shí)間穩(wěn)定工作。子設(shè)備正常運(yùn)行的安全性和長期運(yùn)行對建立的模型進(jìn)行仿真模擬。以傳熱學(xué)和流體力學(xué)為基礎(chǔ),結(jié)合電的可靠性,采用適當(dāng)、可靠的方法控4)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。通過對孑設(shè)備的具體結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)合理髙效的制電子元器件的溫度,使其在所處的模型進(jìn)行仿真模擬,分析其模擬結(jié)果散熱裝置,輔以先進(jìn)的熱分析軟件仿工作環(huán)境條件下不超過穩(wěn)定運(yùn)行要求是否符合電源正常工作的要求。真研究,為電子設(shè)備創(chuàng)造出一個(gè)良好的最高溫度。的工作環(huán)境,確保發(fā)熱元器件以及電DC/Dc電罩塊散器的設(shè)計(jì)熱管圖3散熱鰭片和鋁基板圖4DCDC電源模塊散熱器結(jié)構(gòu)中國煤化工155子品恩2012.1ww.epw.com.cnCNMHGDesignIndustry Control Application責(zé)任編輯:萬翀圖5電源模塊主要元器件圖6模塊主要元器件溫度分布云圖圖7DC/DC電源模塊溫度右視基準(zhǔn)面溫度分布云圖電源熱分析基本理論式(3)中,E為發(fā)射率,是斯為蒸發(fā)段(加熱段),另一端為冷凝段導(dǎo)熱蒂芬玻爾茲曼常數(shù)(w/(m2k4),A冷卻段),根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間導(dǎo)熱又稱熱傳導(dǎo),基本規(guī)律是傅可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)里葉定律,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為是輻射面的面積(m2),F12為1表面對毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化,蒸汽在微2表面的角系數(shù),7、T2分別為輻射小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)-(1)面1、2的絕對溫度(K)成液體,液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力式(1)中,λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己,(W/(mK),q是熱流密度(W/m)管工作原理熱量由熱管的一端傳至另一端。對流換熱熱管的應(yīng)用更是成為了如今高性熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程對流換熱是指固體的表面與它周能散熱器的代名詞之一。熱管是一種中,包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要圍接觸的流體之間由于存在溫差而引導(dǎo)熱性能極高的被動(dòng)傳熱元件。只要過程起熱量的交換。對流換熱可以分為兩加熱熱管表面,工作液體就會(huì)蒸發(fā)。(1)熱量從熱源通過熱管管壁和類:自然對流和強(qiáng)迫對流。對流換熱蒸發(fā)端蒸汽的溫度和壓力都稍稍高充滿工作液體的吸液芯傳遞到(液用牛頓冷卻方程描述:于熱管的其它部分,因此,熱管內(nèi)產(chǎn)汽)分界面生了壓力差,促使蒸汽流向熱管內(nèi)較(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液一汽)分q=h(-7)(2)當(dāng)蒸汽在熱管壁上冷凝的界面上蒸發(fā);式(2)中,h是對流換熱系數(shù)w時(shí)候,蒸汽放出汽化潛熱,從而將熱(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流(mKx),T為固體表面的溫度(K),傳向了冷凝端。之后,熱管的吸液芯到冷凝段T是周圍流體的溫度(K)結(jié)構(gòu)使冷凝后液體再回到蒸發(fā)端。只表1主要元器件的功率損耗要有熱源加熱,這一過程就會(huì)循環(huán)進(jìn)元器件功率損耗/w幅射換熱行芯片V輻射換熱指物體發(fā)射電磁能,并熱管就是利用蒸發(fā)制冷,使得芯片26被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q熱管兩端溫度差很大,使熱量快速傳過程。在工程中,通?？紤]兩個(gè)或兩芯片V34.5導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋個(gè)以上物體之間的輻射,系統(tǒng)中每個(gè)芯片v組成,將管內(nèi)抽成13×(10-10)Pa物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間變壓器T4.5的負(fù)壓后充以適量的工作液體,使緊的凈輻射換熱量傳遞可以用斯蒂芬變壓器T23.5貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充玻爾茲曼定律來計(jì)算:滿液體后加以密封。如圖1管的一端穩(wěn)壓器S2.5φ=eAF2(T14-7)(3)穩(wěn)壓器S2V凵中國煤化工www.eepw.co界58CNMHG●設(shè)計(jì)應(yīng)用工業(yè)控制責(zé)任編輯:萬翀如果在熱分析中包含了所有結(jié)構(gòu)的細(xì)表2模型中各部分材料的熱導(dǎo)率節(jié),將會(huì)很大程度上增加建模以及熱料熱導(dǎo)率/F(mK)1鋁分析的復(fù)雜度,使得在有限元網(wǎng)格劃[%氧化鋁板散熱器翅片2386B5039分時(shí),在非主要熱源區(qū)域產(chǎn)生過多、股劑15過細(xì)密的網(wǎng)格單元,從而導(dǎo)致計(jì)算求管、線圈3936解的時(shí)間變得很長,因此,有必要國鉛合金料B582對幾何模型以及元器件進(jìn)行簡化處17.4877℃~43.7192℃之間,完全符圖8DCDc電源模塊右視基準(zhǔn)面溫理,忽略對模塊熱分布貢獻(xiàn)很小的控合其正常工作范圍(SC~105C)的度分布云圖制芯片、電容等細(xì)節(jié),忽略基板上的要求,達(dá)到了預(yù)定目標(biāo),滿足設(shè)計(jì)要(4)蒸汽氣在冷凝段內(nèi)的汽一液分厚膜互連線、片式電阻和連接芯片的求。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的散熱器有效提界面上凝結(jié);焊線金絲等。經(jīng)合理簡化后模型如圖高了開關(guān)電源的可靠性,延長了開關(guān)(5)熱量從(汽氣一液)分界面通過吸5所示。電源的壽命。液芯、液體和管壁傳給冷源;如圖5所示,電源模塊中主要的(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使發(fā)熱元器件為芯片、變壓器和穩(wěn)壓器總結(jié)冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。等元件。元件的生熱與其熱功耗直接為解決電源模塊的熱可靠性問相關(guān)。計(jì)算過程中,近似認(rèn)為電功耗題,本文結(jié)合實(shí)際的Dc/DC電源模敢熱器的設(shè)計(jì)全部轉(zhuǎn)化為熱功耗。根據(jù)各元件的特塊例子,設(shè)計(jì)了一款結(jié)合熱管和散熱圖2所示模型是用于該電源模塊性、尺寸測量、輸入輸出電流,以及鰭片的散熱器,并利用仿真軟件EFD散熱器的熱管結(jié)構(gòu),圖3為散熱器主模塊中各點(diǎn)的電壓波形,分別計(jì)算出Po熱分析平臺(tái)模擬了電路內(nèi)部的溫要的散熱鰭片的結(jié)構(gòu)。各生熱元件的電損耗,作為模擬的參度場分布特性。仿真結(jié)果表明該散熱圖4是按照上述方法設(shè)計(jì)并用3D數(shù)。器件的功率損耗如表1所示。器設(shè)計(jì)合理可行,并在一定程度上降軟件 Solidworks仿真的散熱器。本文熱分析時(shí)模型的熱邊界條低了各元器件的溫度,保證其在正常由圖2-4可以看到該散熱器主要件:工作范圍,可為熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),推由熱管、散熱鰭片和鋁基板組成。熱1)芯片的工作室溫為25C。動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)程,提高工作效率。并證實(shí)管利用相變原理和毛細(xì)作用,使得它2)主要熱源為芯片、變壓器和穩(wěn)其對降低模塊溫度及提高溫度均勻性本身的熱傳遞效率比同樣材質(zhì)的純銅所起的作用。W高出幾百倍到數(shù)千倍。但是熱管并不3)模塊主要部件材料用途和屬具備任何散熱作用而僅僅具備導(dǎo)熱的性,見表2。魯文考文獻(xiàn)作用而已,因此要想將熱管導(dǎo)出的熱根據(jù)各個(gè)元器件以及電源模塊部1]呂召會(huì)某型電源熱設(shè)計(jì)及其分析[小1電子機(jī)堿工程量盡快排出,散熱器上還必須合理地件材料的參數(shù)配合所設(shè)計(jì)的散熱器caton in ElectronIc CoolngIJ]Apphed Thermal Enginee200424(14-15}2207-22設(shè)計(jì)大面積散熱鰭片。用 EFD Pro仿真得到的結(jié)果如圖68所 LEEE Ts nd Th1Da1: X Interconnect示DC/Dc電源塊熱分析圖6-8為模塊的溫度場分布圖,)4和全華開關(guān)電源熱仿真模型研究U電子學(xué)爾濱屬怡熱置技術(shù)公司主頁 EB/OL].httP:nx8net電源模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包含利用顏色深淺的變化表征模型中院H直等熱圖M北化工世20多種元器件、多層材料結(jié)構(gòu)、多個(gè)截各部分的溫度分布。從圖中可以 ceat raesteiclIEFE inm Meas. Technol. ce面、復(fù)雜的互連布局以及連接方式,看出,電源模塊溫度變化范圍在oflaoest, Hungary, 2001: 1045-1050中國煤化工■目57度子產(chǎn)品累2012.1www.eepw.com.cnCNMHG