DC/DC電源模塊散熱器的設計及熱分析

設計應用T業(yè)控制責任編輯:萬(wàn)翀Dc/DC電源模塊散熱器的設計及熱分析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 )對大多數電子元器件產(chǎn)生嚴重影響。它會(huì )導致電子元器件的失效,進(jìn)而造成電源整機的失效。多芯片模塊(MCM)和高密度三維組裝技術(shù)的出現使得電子設備的熱流密度越來(lái)越高?？茖W(xué)合理地設計電子設備以滿(mǎn)足其熱性能的要求在電源模塊設計中至關(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。本文以數值傳熱理論為基礎,通過(guò)3D設計軟件 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構,然后確定主要發(fā)熱元器件引言源系統在允許的溫度下能夠穩定可靠2)分析電源電路對應的熱路,確隨著(zhù)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(cháng)使用壽命,芯片的最高溫度不得器的3D模型,然后利用專(zhuān)業(yè)熱仿真軟不斷提高,熱設計也正面臨著(zhù)嚴峻的超過(guò)85C。器件的工作溫度每升高件 EFD Pro,根據流體力學(xué)和數值傳挑戰。電源散熱結構的好壞直接影10℃,其失效率增加倍。為保證電熱學(xué)原理,結合實(shí)際的熱邊界條件,響到電源系統能否長(cháng)時(shí)間穩定工作。子設備正常運行的安全性和長(cháng)期運行對建立的模型進(jìn)行仿真模擬。以傳熱學(xué)和流體力學(xué)為基礎,結合電的可靠性,采用適當、可靠的方法控4)對仿真結果進(jìn)行分析。通過(guò)對孑設備的具體結構,設計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(guò)穩定運行要求是否符合電源正常工作的要求。真研究,為電子設備創(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電罩塊散器的設計熱管圖3散熱鰭片和鋁基板圖4DCDC電源模塊散熱器結構中國煤化工155子品恩2012.1ww.epw.com.cnCNMHGDesignIndustry Control Application責任編輯:萬(wàn)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),另一端為冷凝段導熱蒂芬玻爾茲曼常數(w/(m2k4),A冷卻段),根據應用需要在兩段中間導熱又稱(chēng)熱傳導,基本規律是傅可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時(shí)里葉定律,其數學(xué)表達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,7、T2分別為輻射小的壓差下流向另一端放出熱量凝結-(1)面1、2的絕對溫度(K)成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力式(1)中,λ是材料的導熱系數的作用流回蒸發(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。對流換熱熱管的應用更是成為了如今高性熱管在實(shí)現這一熱量轉移的過(guò)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熱性能極高的被動(dòng)傳熱元件。只要過(guò)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(guò)熱管管壁和類(lèi):自然對流和強迫對流。對流換熱蒸發(fā)端蒸汽的溫度和壓力都稍稍高充滿(mǎn)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,熱管內產(chǎn)汽)分界面生了壓力差,促使蒸汽流向熱管內較(2)液體在蒸發(fā)段內的(液一汽)分q=h(-7)(2)當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w時(shí)候,蒸汽放出汽化潛熱,從而將熱(3)蒸汽腔內的蒸汽從蒸發(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?chē)黧w的溫度(K)結構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(guò)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(guò)程。在工程中,通?？紤]兩個(gè)或兩芯片V34.5導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋個(gè)以上物體之間的輻射,系統中每個(gè)芯片v組成,將管內抽成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貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充玻爾茲曼定律來(lái)計算:滿(mǎn)液體后加以密封。如圖1管的一端穩壓器S2.5φ=eAF2(T14-7)(3)穩壓器S2V凵中國煤化工www.eepw.co界58CNMHG●設計應用工業(yè)控制責任編輯:萬(wàn)翀如果在熱分析中包含了所有結構的細表2模型中各部分材料的熱導率節,將會(huì )很大程度上增加建模以及熱料熱導率/F(mK)1鋁分析的復雜度,使得在有限元網(wǎng)格劃[%氧化鋁板散熱器翅片2386B5039分時(shí),在非主要熱源區域產(chǎn)生過(guò)多、股劑15過(guò)細密的網(wǎng)格單元,從而導致計算求管、線(xiàn)圈3936解的時(shí)間變得很長(cháng),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(jiǎn)化處17.4877℃~43.7192℃之間,完全符圖8DCDc電源模塊右視基準面溫理,忽略對模塊熱分布貢獻很小的控合其正常工作范圍(SC~105C)的度分布云圖制芯片、電容等細節,忽略基板上的要求,達到了預定目標,滿(mǎn)足設計要(4)蒸汽氣在冷凝段內的汽一液分厚膜互連線(xiàn)、片式電阻和連接芯片的求。結果表明,設計的散熱器有效提界面上凝結;焊線(xiàn)金絲等。經(jīng)合理簡(jiǎn)化后模型如圖高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性,延長(cháng)了開(kāi)關(guān)(5)熱量從(汽氣一液)分界面通過(guò)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)在吸液芯內由于毛細作用使發(fā)熱元器件為芯片、變壓器和穩壓器總結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(wèn)相關(guān)。計算過(guò)程中,近似認為電功耗題,本文結合實(shí)際的Dc/DC電源模敢熱器的設計全部轉化為熱功耗。根據各元件的特塊例子,設計了一款結合熱管和散熱圖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散熱器的熱管結構,圖3為散熱器主模塊中各點(diǎn)的電壓波形,分別計算出Po熱分析平臺模擬了電路內部的溫要的散熱鰭片的結構。各生熱元件的電損耗,作為模擬的參度場(chǎng)分布特性。仿真結果表明該散熱圖4是按照上述方法設計并用3D數。器件的功率損耗如表1所示。器設計合理可行,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,可為熱設計提供指導,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)設計進(jìn)程,提高工作效率。并證實(shí)管利用相變原理和毛細作用,使得它2)主要熱源為芯片、變壓器和穩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熱的性,見(jiàn)表2。魯文考文獻作用而已,因此要想將熱管導出的熱根據各個(gè)元器件以及電源模塊部1]呂召會(huì )某型電源熱設計及其分析[小1電子機堿工程量盡快排出,散熱器上還必須合理地件材料的參數配合所設計的散熱器caton in ElectronIc CoolngIJ]Apphed Thermal Enginee200424(14-15}2207-22設計大面積散熱鰭片。用 EFD Pro仿真得到的結果如圖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(chǎng)分布圖,)4和全華開(kāi)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(yè) EB/OL].httP:nx8net電源模塊的內部結構復雜,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、多層材料結構、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