如何提升轉換器的操作溫度?

對於大功率的應用，電子產品在工作時累積過多熱能會導致效能降低。對於電源轉換器操作溫度範圍的要求越來越高。想要深入了解操作溫度的影響，必須先認識電源轉換器的熱能來源，再評估各種散熱方式的效益與計算總熱阻。

本文介紹電源轉換器各種可提升操作溫度的方式，並透過熱阻來評估電源轉換器的散熱效能。

1. 熱能介紹

根據熱平衡守則，當電源轉換器輸入功率不等於輸出功率時，此兩者之間的差異值是整體功率損失，而損失的能量大都以熱能方式流散，過多的熱能會提高系統環境溫度，甚至會損壞附近元件。

當電源轉換器輸出負載電流逐漸增加時，依據轉換效率的影響，負載功率與熱流損失功率之間會成正比。如下圖1所示，以負載百分比為橫軸，功率損失為縱軸。

以圖1，24V和48V輸入為例，當固定負載90%的情況下，24V輸入案例的功率損失大於48V輸入案例，而再經計算後得到24V輸入案例的轉換效率低於48V輸入案例，因此可看出若損耗較多者，效率會越低。

對於大功率的電源轉換器，常見使用鋁基板封裝，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，甚至把鋁基板貼到金屬機殼的話，更能加強散熱效果。

根據熱力學理論，兩個介質之間存在溫度差異會引起能量轉移，也就是指物體與周圍溫度不同時，藉由熱傳遞的過程，與周圍環境達成熱平衡。傳統的熱傳遞的途徑來說，主要透過傳導、對流、輻射三種方式。

(1)傳導

兩物質之間直接接觸傳遞熱的方式，熱能會由高溫往低溫傳遞。由於固體本身密度高，熱傳導率也相當地高，也就是熱能傳遞速度越快，例如金屬材質熱傳導速度比玻璃、塑膠還快。

大消耗功率的電源轉換器除了使用鋁基板封裝，也會加上金屬材質的散熱鰭片，增加對外部環境的接觸面積，使得熱能有更多面積散出。如圖2所示，紅線部分為散熱面積。

(2)對流

藉由冷空氣下降與熱空氣上升，兩者之間通過循環流動，使兩者溫度趨於均勻過程。冷熱空氣溫度差異大，增加空氣的流動速度，也可以加快對流效果。

利用風扇加強高溫元件附近的氣流流速，降低電源轉換器表面到空氣的熱阻。如圖3所示，當電源轉換器重負載運轉時，位於PCB中間的高溫元件持續發熱，進而影響周圍溫度。另外放置風扇於高溫元件上方後，PCB上各個元件周圍溫度會明顯的減少。

(3)輻射

熱輻射是遠距離傳熱的主要方式，不用經由物質當媒介，直接由熱源向四周傳播出去，直到碰到另一個物質吸收或反射為止。使用散熱塗層可以大大改善輻射效率，其中散熱塗層就是利用塗佈方式加諸於材料表面，以提高材料表面熱輻射效應以進行散熱的一種材料。此方式是利用高反射原理減少電源轉換器吸收電磁輻射的熱能量，將大部分熱能量再反射回大氣中。

 

2. 提升操作溫度的探討

電源轉換器在功率傳遞過程中，消耗的電能則被轉化

成熱量散出。若系統長期工作在溫差變化甚大的環境，導致元件的材料因為熱應力不同而毀損的問題，所以電源轉換器必須工作在相對穩定的溫度範圍內，減少溫度的急劇變化，以消除熱應力衝擊的影響，即可延長使用期限。欲提高操作溫度可透過電路設計、PCB佈局設計、外部設備配置等等。

• 電路設計

選擇符合產品規格的元件並設計高轉換效率電路。首先了解電源轉換器功率耗損情況，選擇適當的元件取決於該應用的輸入電壓、輸出電壓、輸出漣波與切換頻率。

設計電路上，使用零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）技術來減少電源轉換器的切換耗損，其切換耗損是指開關元件在切換過程中所造成的損耗；另外減少功率開關的導通電阻來減少導通耗損，其導通耗損公式如下:

P_c: 導通耗損

I_DS: 流經功率開關元件電流

R_DS(ON)  : 功率開關元件汲極和源極的阻抗

另外，為了避免使用者操作失當或系統設備失真，發生湧浪電流或輸出電壓突波，造成電源轉換器工作溫度異常增加，利用過壓保護和短路保護電路防止問題發生。

• PCB佈局設計

PCB底板大都使用覆銅／環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材，此材質散熱效果差，因此只有少部分熱能從元件表面向周圍散熱。

考慮適當的元件配置和線路佈局來加強散熱效果，透過加大高溫元件的線路寬度、減少線路長度可以降低雜訊干擾與等效阻抗。

• 外部設備配置

選擇外部配件並實際安裝。使用冷卻風扇給予強制對流，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。另一種方式是透過散熱鰭片把電源轉換器的熱能平均分散地由鋁基板表面傳遞出去。放置散熱片最佳的位置就是散熱墊平貼在鋁基板上，而散熱片與電源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。

 

3. 散熱參數指標

熱阻(Thermal resistance, )，是衡量晶片產生的熱量傳到到電路板和周遭環境的標準。給出不同兩點的溫度，則從高溫點到低溫點的熱流量由熱阻決定。可以透過以下簡化公式計算。

T_a : 環境溫度

T_x : 最大表面溫度

P_d : 功率損耗

熱阻是物體抵抗傳熱的能力，熱阻越小代表導熱率越高。由上式得到熱阻之後，透過電源轉換器的效率曲線，反推各個負載點的損耗，即可得到電源轉換器的不同負載下的預估溫升以及最高可操作溫度。

熱阻的模型如圖5，總熱阻為散熱路徑上所有熱阻的總和，包含從元件表面到封裝外殼的熱阻RJC、從封裝外殼到散熱鰭片的熱阻RPH、從散熱鰭片到大氣環境的熱阻RHA，如下式:

舉例來說，電源轉換器的功率損耗為12W，且最高溫限制為125℃，求裝上散熱片之後的最高可操作的環境溫度。

首先定義散熱片的規格如下：

散熱鰭片熱阻=2.9 ℃/W

內部灌膠熱阻=2.4 ℃/W

絕緣導熱貼片導電性=1.42 W/m℃

絕緣導熱貼片厚度 =0.45mm

電源轉換器表面面積 =42.5mm x 37.1mm

熱阻模型如圖5，先計算出散熱鰭片的熱阻

總熱阻為散熱路徑上的熱阻總和

再由公式(3)計算可得最高環境溫度

從公式(3)得知，總熱阻越低則系統可操作環境溫度會越高。其中，RHA受到散熱鰭片材質與結構影響，其材質大都選擇鋁合金，而特色是價格低廉、重量輕、導熱性佳；RPH是指散熱鰭片和電源轉換器之間的接觸阻抗，而加上導熱係數較大的絕緣導熱貼片來對接，如此一來RPH就會明顯降低；RJC是內部最高溫元件與電源轉換器表面之間的溫差造成的熱阻，而可透過選擇較佳的傳熱能力的灌膠材料與減少灌膠材料中的氣泡來減少熱阻。

電子組裝的灌膠作業的作用是(1)強化對外震動的抵抗力(2)提高內部元件的電氣絕緣與防水性(3)均勻的分散熱能。

 

結論

提升電源轉換器操作溫度是未來趨勢之一，為了確保電源轉換器在安全的溫度下工作，須了解各種散熱方式與注意事項，從電路設計到元件選用取決於不同應用的規格。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，最後達到提高操作溫度的目的。

 

 

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