точная сборка PCB, высокочастотная PCB, высокоскоростная PCB, стандартная PCB, многослойная PCB и PCBA.
Самая надежная фабрика по обслуживанию печатных плат и печатных плат.
Технология PCB
теплопроектный анализ питания выключателем высокочастотных щитов
Технология PCB
теплопроектный анализ питания выключателем высокочастотных щитов

теплопроектный анализ питания выключателем высокочастотных щитов

2021-11-29
View:253
Author:iPCBer

1. Introduction

Electronic products generally Have strict requirements on operating temperature. Excessive temperature rise inside the power supply equipment will cause the failure of temperature-sensitive semiconductor devices, электролитический конденсатор и другие компоненты. когда температура превышает заданное значение, the failure rate increases exponentially. статистика показывает, что надежность электронных элементов снижается на 10% при повышении на 2°C; при температуре 50°C, срок службы составляет всего один год./при повышении температуры на 25°C Температура снижается на 6%. поэтому, электронное оборудование будет удовлетворять требованиям управления подъемом температуры всего шасси и внутренних узлов. This is the thermal design of electronic equipment. For hвысокая частота board switching power supplies, у них мощный нагреватель, temperature is the most important factor affecting their reliability. поэтому, there are strict requirements on the overall thermal design. полное тепловое проектирование состоит из двух аспектов: как контролировать тепло, получаемое из источника; как разогнать тепло. The ultimate goal is how to control the temperature of the electronic equipment after the thermal equilibrium is reached within the allowable range.

Ipcb

2. Heating control design

The main heating components in the коммутационное питание are semiconductor switching tubes (such as MOSFET, IGBT, Глобальный технический регламент, SCR, сорт.), high-power diodes (such as ultra-fast recovery diodes, Schottky diodes, сорт.), hвысокая частота transformers, индуктивность фильтра и других магнитных элементов и ложная нагрузка, сорт. There are different methods of controlling heat generation for each kind of heating element.

2.1 Reduce Heat generation of the power switch

The switch tube is one of the components that generate more heat in the hвысокая частота switching power supply. снижение теплоты не только повышает надежность самой коммутационной трубы, but also reduce the temperature of the whole machine, повышение эффективности машины в целом и среднее время без отказов. (MTBF). Когда лампа выключателя находится в рабочем состоянии, it is in two states of on and off, Возникающие потери можно разбить на потери, вызванные двумя критическими состояниями. Among them, потери в режиме пропускания определяются сопротивлением в режиме пропускания самой трубы переключателя. эта потеря может быть снижена путем выбора переключателя низкого сопротивления. The on-state resistance of MOSFET is larger than that of IGBT, Но она работает чаще, so it is still the preferred device for switching power supply design. Now IR's new IRL3713 series HEXFET (hexagonal field effect transistor) power MOSFET has achieved 3mΩ on-state resistance, Таким образом, эти устройства имеют меньшие потери проводимости, gate charge and switching loss. The American APT company also has similar products. The losses in the two critical states of turn-on and turn-off can also be reduced by selecting devices with faster switching speeds and shorter recovery times. Однако еще более важно уменьшить потери за счет разработки более совершенных методов контроля и методов буферизации. This method can show advantages when the switching frequency is higher. например, различные технологии мягких выключателей могут включать или выключать переключатели в режиме нулевого напряжения и нулевого тока, thereby greatly reducing the loss caused by these two states. Однако, some manufacturers still use hard-switching technology from the perspective of cost, с помощью различных буферных технологий они могут уменьшить потери и повысить надежность переключателей.

2.2 Reduce the heat generation of the power diode

In the hвысокая частота switching power supply, мощный диод, and the selected types are also different. быстровосстанавливающийся диод в силовых диодах и буферных схемах для входной коммутации переменного тока 50Hz в постоянный ток, в нормальных условиях, there will be no better control technology to reduce losses, и выбор только высококачественных устройств, such as the use of conduction voltage. низкий диод Шотки или сверхбыстровосстанавливающийся диод с более высокой скоростью отключения и мягким восстановлением для уменьшения потерь и тепла. The rectifier circuit on the secondary side of the hвысокая частота трансформаторы также могут использовать синхронный выпрямительный режим, чтобы дополнительно снизить потери и тепловыделение при выпрямлении и перепаде давления, but both of them will increase the cost. поэтому, how the manufacturer grasps the balance between performance and cost and achieves the highest cost performance is a question worthy of study.

2.3 Reduce the heating of magnetic components such as hвысокая частота transformers and filter inductors

Various magnetic components are indispensably used in hвысокая частота switching power supplies, например, блокировка в фильтре, накопительная фильтрация, isolated power supplies, Hвысокая частота transformers. во время работы они вызывают более или менее медные и железные потери, Эти потери высвобождаются в горячей форме. Especially for inductors and transformers, the hвысокая частота current flowing in the coils will double the copper loss due to the skin effect, Поэтому потери от индукторов и трансформаторов становятся неотчуждаемой частью. Therefore, в проекте, multiple thin enameled wires should be used for parallel winding, или использовать широкие и тонкие медные пластины для обмотки, чтобы уменьшить влияние скин - эффект. The magnetic core is generally made of high-quality ferrite material, например, магнитные материалы TDK, произведенные в Японии. A certain margin should be left in the model selection to prevent magnetic saturation.

2.4 Reduce the calorific value of the fake load

In order to avoid the voltage increase caused by no-load state, питание выключателя большой мощности обычно оборудовано резистором большой мощности с виртуальной нагрузкой. This is especially true for power supplies with source PFC units. выключать питание при работе, the dummy load has to pass a small amount of current, Это не только снижает эффективность переключателя питания, but also its heat generation is a factor that affects the thermal stability of the whole machine. The position of the dummy load on the printed board (PCB) is often very close to the electrolytic capacitor used for output filtering, and the electrolytic capacitor is extremely sensitive to temperature. Therefore, it is necessary to reduce the calorific value of the dummy load. как более практичный метод проектирования виртуальной нагрузки, метод переменного импеданса является более практичным. The size of the dummy load impedance is controlled by detecting the output current of the switching power supply. при нормальной нагрузке, the dummy load exits the current consumption state; when there is no load, виртуальная нагрузка расходует максимальный ток. This will not affect the stability of the power supply at no load, не снижает эффективность питания, вырабатывает много ненужных тепла.

3. Heat dissipation design

3.1 The basic method of heat dissipation and its calculation method

There are three basic ways of heat dissipation: heat conduction, конвективный теплообмен и теплоизлучение.

1) Heat conduction The heat transfer that occurs between the various parts of the object in direct contact or within the object is heat conduction. Механизм взаимного перемещения молекулярной кинетической энергии между телами при различных температурах или между частями тела при различных температурах. концепция теплопроводности очень похожа на концепцию тока. Heat is always conducted from a place with a high temperature to a place with a low temperature. наличие теплового сопротивления в процессе теплопроводности, just as there is resistance in the flow of current. Its heat flow Φ=[W], тепловое сопротивление, and τ is the temperature difference. The thermal resistance Rt=[K/W], тип средней толщины, которая остается проводником, λ is the thermal conductivity, площадь поперечного сечения проводника. In this way, при проектировании питания выключателя, the temperature rise τ=ΦRt can be obtained from the power dissipation of the heating source. В практическом применении, the heat flow from the heat source to the radiator often has to pass through thermal conductors of several different materials, То есть, there are series of different thermal resistances. в расчёте, the total thermal resistance is the sum of multiple thermal resistances.

2) Convective heat transfer heat is transferred to the fluid layer close to it through heat conduction. После нагрева жидкости в этом слое, its volume expands, его плотность стала меньше., она течёт вверх, and the surrounding dense fluid flows over to fill it. теплопоглощение жидкости, расширение и восходящее течение, and circulates in this way, непрерывное унос тепла с поверхности нагревателя. This process is called convective heat transfer. The calculation of convective heat transfer generally adopts the formula proposed by Newton: Φ=αA(θ1-θ2)[W], where A is the area of the wall in contact with the fluid [m2], отключение ± это коэффициент конвективной теплопередачи, and θ1 is the wall temperature [ K], θ2 is the average temperature of the fluid [K]. It can be seen that the heat flux Φ is proportional to the product of the convective heat transfer coefficient α, площадь поперечного сечения A, and the temperature difference between the solid surface and the fluid (θ1-θ2). конвективный теплообмен - сложный процесс теплопередачи, Это зависит не только от теплового процесса, but also by the dynamic process of the gas. Короче говоря, there are two factors that affect convective heat transfer: (1) The physical properties of the fluid, плотность, viscosity, коэффициент расширения, thermal conductivity, удельная теплоемкость, etc.; (2) The flow of the fluid is natural convection Still forced convection, ламинарный или турбулентный поток. Because in laminar flow, теплопередача в основном зависит от теплопередачи между не связанными друг с другом слоями потока; в турбулентности, флюиды излучают вихрь за поверхностью слоистого слоя вблизи стенки, чтобы усилить теплопередачу. Вообще говоря, При прочих равных условиях, the heat transfer coefficient of turbulent flow is several times larger than that of laminar flow, даже больше.

3) Thermal radiation The propagation of electromagnetic waves caused by temperature differences is called thermal radiation. его процесс гораздо сложнее теплопроводности и конвекционного теплообмена. It is the energy that converts part of the heat energy of an object into electromagnetic waves. Он распространяется через воздух, вакуум и другие среды, которые могут распространять электромагнитные волны. When it encounters other objects, часть его поглощается и преобразуется в тепловую энергию, and the rest is Be reflected back. инфракрасное излучение, излучаемое различными объектами, является тепловым излучением. In vacuum or air, радиационная способность тела зависит от характера тела, surface condition (such as color, шероховатость, etc.), surface area, температура поверхности. Φ=εσbA(T14-T24) where σb is Boltzmann's constant with a value of 5.67*10-8, A is the radiation surface area [m2], T is the absolute temperature of the surfaces of the two objects [K], ε is the surface blackness . чем темнеет поверхность тела, the stronger the radiation ability.