如何評估電源轉換器的散熱方案 ?

在電源轉換器的規格中，一般會定義降額曲線，原因是電源轉換器有最高溫度的限制，為了使轉換器在安全的溫度區間內操作，會有負載上限的要求。若要電源轉換器在全額功率下運行，必須提升效率並解決溫度上升的問題。本文介紹電源轉換器的散熱方式，並由溫度變化與能量損耗熱計算熱阻，透過熱阻來評估電源轉換器的散熱方案。

 

1. 效率&能量損耗

效率是評估電源轉換器很重要的規格，定義為輸出功率除以輸入功率的百分比值。當輸入功率不等於輸出功率時，兩者的差等於損失的能量。不管是電源轉換器或是電子元件都會面臨能量損耗，大部分會轉為無用的熱能。因此需要仔細處理散熱的問題，避免高溫導致周邊電子元件損壞。下圖1為轉換器的效率對應負載曲線，圖2為功率損耗對應負載曲線，可看出若損耗較多者，效率會越低。

 

2. 散熱方式

一般常見的電源轉換器散熱方式有自然冷卻、散熱片和風扇冷卻等。在功率較大的產品包裝上會使用鋁基板，原因是鋁基板的熱傳導能力比塑膠外殼更好，所以讓較多的熱可以藉由鋁基板傳遞出去。若在鋁基板上外接散熱片及風扇可以有效增加散熱的能力。

熱能的轉移方式有三種，傳導、對流以及輻射。

• 傳導

兩物質之間直接接觸傳遞熱的方式，熱會由高溫往低溫傳遞。在高溫物體中的分子有較高的能量，當不同溫度的兩物體接觸時，以震動產生能量的傳遞。熱傳導的特性是固體大於流體，其中以金屬的熱傳導性能最好。假設熱傳遞方向為x方向，根據傅立葉定律的推導如下

(1) 

熱傳率(heat transfer rate)與物質的導熱率(conductivity)、熱流方向截面積與溫度差成正比，和熱傳遞的距離成反比，因此在選擇散熱片時，須考慮材質是否能夠提供足夠低的熱阻，以及接觸面積盡可能最大。在散熱片與轉換器之間的密合度也會影響傳導的效果，凹凸不平的表面會使散熱片與轉換器之間有空隙，而空隙中的空氣會大大降低導熱效果。因此可以使用導熱膠或導熱墊，使接觸面完全密合，以達到最大的效果。

 

• 對流

熱對流是指固體與流動的流體之間的熱傳遞現象，也包含不同溫度的流體之間產生的密度差，使得流體混合產生的熱傳遞現象。在轉換器的應用上，可分成自然對流以及強制對流，自然對流為轉換器上的熱量傳遞到附近溫度較低的空氣中，透過空氣密度的差異自然產生的對流。強制對流為利用風扇強制產生空氣對流。

熱對流係數代表熱傳的效果，跟流體與固體的溫度差、流體的速度與方向和固體的形狀與表面狀態等等因素有關。使用風扇可以大幅降低轉換器表面到空氣的熱阻，但是使用上需注意散熱鰭片的方向要使風向流通，以及定期更換過濾器，避免灰塵或異物造成系統故障。

 

• 輻射

不須透過介質，以波的方式傳遞。熱輻射是物體用電磁輻射把熱能向外散發的熱傳方式，物體的溫度只要大於絕對零度，就可以持續產生熱輻射，同時也會吸收外界釋放出的熱輻射。熱輻射的效益與表面溫度有很大的關係，溫度越高放射率越好，因此在機箱內，若轉換器並非系統最高溫的物體，則熱輻射的散熱效果可能不增反減。而影響表面放射率的有表面的顏色、粗糙程度與材質等，在加上自身與週圍物體的熱輻射轉換，因此要計算熱輻射是既複雜又困難。不過還是可以就熱輻射的原理評估轉換器在系統應用的布局，避免高溫的零件擺放於旁邊，其他零件的熱輻射會導致轉換器的溫度升高，同時也避免使轉換器靠近溫度敏感的元件。一般來說轉換器運作時的溫度比外界高，熱輻射還是有助於整體的散熱。

 

 

3. 熱阻

電源轉換器或一般電子元件都需要評估熱的影響，當溫度過高時，轉換器需要降額使用，避免元件損壞。在這種情況下可以增加適當的散熱方案，像是使用散熱片或冷卻風扇。散熱方案的效益可以由熱阻來評估，但僅考慮熱平衡的狀態下，且不評估非線性溫升，就可以使用簡單的計算來了解溫度變化，並選擇適當的散熱器。

 

傳導的熱阻是，當兩個不同溫度的物體表面接觸時，熱會由高溫傳至低溫，在熱通過接觸面時，熱能會藉由物體接觸傳導至另一端。因此相鄰的兩個接觸面會產生溫差DT，以及兩接觸面的熱傳率為q，熱阻 被定義為

不須透過介質，以波的方式傳遞。熱輻射是物體用電磁輻射把熱能向外散發的熱傳方式，物體的溫度只要大於絕對零度，就可以持續產生熱輻射，同時也會吸收外界釋放出的熱輻射。熱輻射的效益與表面溫度有很大的關係，溫度越高放射率越好，因此在機箱內，若轉換器並非系統最高溫的物體，則熱輻射的散熱效果可能不增反減。而影響表面放射率的有表面的顏色、粗糙程度與材質等，在加上自身與週圍物體的熱輻射轉換，因此要計算熱輻射是既複雜又困難。不過還是可以就熱輻射的原理評估轉換器在系統應用的布局，避免高溫的零件擺放於旁邊，其他零件的熱輻射會導致轉換器的溫度升高，同時也避免使轉換器靠近溫度敏感的元件。一般來說轉換器運作時的溫度比外界高，熱輻射還是有助於整體的散熱。

 

熱阻

熱對流是指固體與流動的流體之間的熱傳遞現象，也包含不同溫度的流體之間產生的密度差，使得流體混合產生的熱傳遞現象。在轉換器的應用上，可分成自然對流以及強制對流，自然對流為轉換器上的熱量傳遞到附近溫度較低的空氣中，透過空氣密度的差異自然產生的對流。強制對流為利用風扇強制產生空氣對流。

熱對流係數代表熱傳的效果，跟流體與固體的溫度差、流體的速度與方向和固體的形狀與表面狀態等等因素有關。使用風扇可以大幅降低轉換器表面到空氣的熱阻，但是使用上需注意散熱鰭片的方向要使風向流通，以及定期更換過濾器，避免灰塵或異物造成系統故障。

 

輻射

(2)

 

熱阻是物體抵抗傳熱的能力，因此熱阻越大代表導熱率越低。

在處理熱阻的時候可以類比於電路的方式來計算，溫度差替代電壓，熱量替代電流，熱阻替代電阻。因此歐姆定律的模型可以等同於熱阻的計算

 

(3)

 

在計算轉換器的熱阻時，假設轉換器所消耗的功率全部轉為熱，則熱傳導率q即為轉換器的功率損耗。

 

根據方程式(1)與(2)可以得到以下式子，材料的熱阻可以藉由材料的導熱係數、熱流方向的截面積與熱傳遞的距離來計算

(4)

 

4. 溫度量測

電源轉換器有最高工作溫度的限制，若超過溫度上限可能會影響性能或是造成不可逆的損壞。在評估溫度的時候，假設散熱路徑與溫度為線性關係，量測設置是將轉換器的周圍以隔熱材料包覆，唯一開口為轉換器上方，如下圖3，目的是使散熱方向統一向上，從外殼表面散熱至空氣。溫度測量方式除了可以使用熱顯像儀，以簡單直接的方式呈現溫度之外，也可以使用電熱偶來量測殼溫與環境溫度。

 

 

熱阻的類比模型如下圖4，總熱阻為散熱路徑上所有熱阻的總和，並量測殼溫Tcase與環境溫度Ta，再透過已知的功率損耗Pd，就可以推算轉換器外殼到空氣的熱阻Rca。

(5)

(6)

 

 

在得知熱阻之後，便可由轉換器的最高溫限制，反推可操作的最高環境溫度。若要提高環境溫度，也可以由計算值預估所需要的散熱能力，來選擇適當的散熱片及冷卻風扇。

需注意以上方式計算的結果是含有餘量的，尤其在實務上環境溫度Ta的量測是很困難的，目前並未有統一的量測方法，都是各家自行定義。量測點距離轉換器的遠近，對溫度的影響很大。以及在有風的環境中，Ta要定義在哪個位置目前也沒有定論。因此要得到多少的精準度，取決於量測與計算上所納入的條件。

 

5. 熱阻計算

     5.1 散熱片

轉換器大部分的熱會由鋁基板表面傳遞出去，因此放置散熱片最佳的位置就是透過散熱墊貼在鋁基板上，降低轉換器外殼到空氣的熱阻，就可以提升轉換器運作時的環境溫度。

熱阻的模型如下圖5，轉換器外殼到空氣的總熱阻Rca，包含轉換器外殼到散熱片的熱阻為Rcs，加上散熱片到空氣的熱阻為Rsa。

 

舉例：一顆電源轉換器的功率損耗為17W，且最高溫限制為110℃，求裝上散熱片之後的最高可操作的環境溫度

定義散熱片的規格如下：

Heatsink thermal resistance=3.2 W/℃

Thermal pad conductivity=1.56 W/m℃

Thermal pad Thickness =0.5mm

Surface area =57.9x36.8mm

 

熱阻模型如上圖5，先由公式(4)計算出散熱墊的熱阻

(7)

總熱阻為散熱路徑上的熱阻總和

(8)

再由公式(6)計算可得最高環境溫度

(9)

 

         

       5.2 冷卻風扇

使用冷卻風扇即是給予強制對流，必須注意的是定期更換過濾器，避免灰塵進入機箱內造成冷卻效率降低或是導致系統關機。搭配散熱片時要注意風向與散熱鰭片的相對位置，正確的引導氣流，才能有效將熱量帶走，達到最大的冷卻效益。

風扇的特性是以風量(air flow)與靜壓(static pressure)組成的曲線來表示，如下圖6。最大風量代表風扇在沒有任何阻擋的情況下，靜壓為零。而最大靜壓是指在密閉的空間裡，風扇無法推動空氣流動，風量為零。風扇在不同的系統中運作時，操作點(operating point)會不同，代表出風量以及靜壓也會改變。操作點的風量可以由模擬器計算或是實際量測。

 

舉例：一顆電源轉換器的功率損耗為17W，且最高溫限制為110℃，使用散熱片的規格如下圖7，若要將環境溫度提升到80℃，需要給予系統多少風量

Thermal pad thermal resistance=0.15 W/℃

 

由已知的溫度及功率損耗計算出散熱片到空氣的熱阻

(10)

 

計算出1.6 W/℃是散熱片結合風量要達到的熱阻，一般散熱片的規格書會附上曲線圖，根據曲線圖對應到熱阻1.6 W/℃，約需要給予400LFM。

 

6. 結論

適當的散熱方案使用在電源轉換器上是必須的，為了確保電源轉換器在安全的溫度下工作，良好的散熱方式可以提升電源轉換器的使用功率，獲得更大的效益。使用熱阻等效模型分析各材質之間的熱阻，不管是散熱片還是風扇都以可以用相同的模型來計算，差別是使用風扇要考慮散熱片對應到風量的熱阻變化。另外要注意的是在散熱片與轉換器之間，用於密合接面的散熱墊熱阻也是不可忽略的。透過熱阻的概念能夠將複雜的熱表現，以簡單的計算方式來評估轉換器的散熱方案。

 

 

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