對流風對電源轉換器的影響

目前電源轉換器開發人員皆致力於散熱設計相關的技術，也因此如何滿足長時間供電運作、寬操作環境溫度範圍等需求，皆是未來研究方向。

本文介紹如何使用熱電偶溫度線和紅外線熱顯像儀在電源轉換器上執行精確的溫度量測，介紹相關的注意事項與技巧，並且分析不同對流風對電源轉換器的溫度表現。

 

1. 垂直閉迴路風洞機介紹

為了模擬各種風速環境測試條件，垂直閉迴路風洞機可以自動或手動的方式設定溫度，而常見的風速範圍為0.1m/s~5m/s。將電源轉換器放置內腔體測試各點溫度，其體積為30cm＊30cm＊50cm。圖1是迴路風洞機內腔體俯視圖與正面圖。

操作上使用風速測試計，透過前視窗穿透珍珠板量取安裝於內腔體的電源轉換器周圍風速，此風速測試計外接到個人電腦可顯示即時風速。接下來會說明兩種量測溫度的方式。

• 熱電偶溫度線

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，其原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合迴路，當兩端存在溫度梯度時，迴路中會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢，此是塞貝克效應。

操作上，直接將熱電偶溫度傳感器貼黏於印刷電路板和電源轉換器，並把被測物溫度訊號轉換成熱電動勢，通過多功能紀錄器，再轉換成溫度訊號。透過這些溫度數據，即可定義產品的操作溫度範圍或者是繪製降額曲線。

• 紅外線熱顯像儀

每一塊電路板上的元件因電路設計與線路佈局方式不同，使得熱量累積大小及散熱程度亦不相同。紅外線熱顯像儀可以通過提供紅外線熱圖，提供使用者快速地分析印刷電路板的整體溫度分布，如下圖3所示

操作上，將紅外線熱顯像儀固定架置於垂直閉迴路風洞機的內腔體外面。為了提高紅外線的透射能力，使用鍺夾層玻璃鍍上光學薄膜，以提高透射率並保護表面。紅外線熱顯像儀的LCD螢幕清晰地顯示印刷電路板和所有元件的整個溫度場分佈的圖像和準確的溫度測量，並透過USB接頭可以即時地將數據輸入到電腦軟體內分析、儲存及監控。

 

2. 對流風流量影響

運作時產生的熱能使電源轉換器內部溫度迅速上升，如果不及時將熱能散發出去，設備會持續的增溫，元件會過熱而失效。因此，對高溫元件進行較佳的散熱處理是非常重要的。根據元件具體特性、不同的環境以及成本考量下，最常使用的散熱方式是靠空氣流動。設計上，針對高溫元件，例如大輸出功率的電源轉換器附近放微型風扇，此方式就是強制地增加對流風，因此只需要低額外功率就可以達到高操作溫度範圍、減少熱阻和提高印刷電路板的功率密度。

以風速300LFM為例，測量電源轉換器於負載電流10A時，其功率損耗為17.1W，熱電偶溫度線測得環境溫度為28.2℃和表面最高溫度為58℃，根據熱阻公式而計算出電源轉換器到空氣的熱阻Rth:

由圖4可看出，熱阻會隨著風速條件的不同而有變化。對流風速越高，這樣才有更多的冷空氣通過電源轉換器表面帶走熱量，且熱阻逐漸降低。

由圖5可看出，從弱風到強風環境時，電源轉換器允許執行滿載下，最大環境溫度從35℃提升到55℃；另外在相同操作溫度60℃下，最大負載量從75%大幅提升到96%。

為了更有效利用自然對流風散熱，將數個高溫元件均分佈於印刷電路板上，保持印刷電路板表面溫度一致性。高溫元件大都放在印刷電路板中心點而非邊角處，且四周不可以裝焊高度更高的元件擋住自然對流風，以降低散熱效果。

 

3. 結論

溫度控制是提高電源轉換器可靠度及工作環境溫度範圍的重要因素。如今應用到印刷電路板的散熱方式多樣化，其中增強對流風的散熱方式較符合經濟效益，且可達到良好的散熱效果。

在電路應用上，使用熱電偶溫度計或紅外線熱顯像儀監控電子元件的溫度， 可以更有效地分析整體溫度分布。透過整理不同風速條件的實驗數據，讓使用者更了解風速與熱阻的相互關係。

 

 

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