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设计电源管理电路时需考虑的散热问题

发布时间:2021-10-03 人气:

本文摘要:高温或内部功耗产生的过多热量有可能转变电子元件的特性并造成其关机、在登录工作范围外工作,甚或经常出现故障。电源管理器件(及其涉及电路)常常不会遇上这些问题,因为输出与阻抗之间的任何功耗都会造成器件痉挛,所以必需将热量从这些器件中驱赶出来,使其转入PCB、附近的元器件或周围的空气。即使在传统高效的开关电源中,当设计PCB和自由选择外部元器件时,也都必需考虑到风扇问题。 设计电源管理电路时,在实地考察风扇问题之前对热传递展开基本理解是很有协助的。

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高温或内部功耗产生的过多热量有可能转变电子元件的特性并造成其关机、在登录工作范围外工作,甚或经常出现故障。电源管理器件(及其涉及电路)常常不会遇上这些问题,因为输出与阻抗之间的任何功耗都会造成器件痉挛,所以必需将热量从这些器件中驱赶出来,使其转入PCB、附近的元器件或周围的空气。即使在传统高效的开关电源中,当设计PCB和自由选择外部元器件时,也都必需考虑到风扇问题。

设计电源管理电路时,在实地考察风扇问题之前对热传递展开基本理解是很有协助的。首先,热量是一种能量,不会由于两个系统之间不存在温差而展开传输。热传递通过三种方式展开:传导、对流和电磁辐射。

当高温器件认识到低温器件时,不会再次发生传导。低振幅的高温原子与低温材料的原子撞击,从而减少低温材料的动能。这种动能的减少造成高温材料的温度下降和低温材料的温度上升。

在对流中,热传递再次发生在器件周围的空气中。在大自然对流中,物体冷却周围的空气,空气加热时收缩构成真空,造成冷空气代替热空气。因此构成循环气流,大大将器件的热量传输给周围的空气。

另一种形式是强迫对流,例如风扇主动刮起冷空气,从而加快代替暖空气。当物体将电磁波(热辐射)发送至周围环境时就不会产生电磁辐射。电磁辐射热量需要介质传送(热量可以通过真空电磁辐射)。

在PCB中,热传递的主要方法是传导,其次是对流。下面的等式得出了以传导方式热传递的数学模型:其中H是热传导速率(单位为J/s),K为材料的导电系数,A为面积,(THndash;TL)为温差,d为距离。当界面之间的认识面积减小、温差减小或界面之间的距离增加时,热量传导速度减缓。可以将热传递仿真成一个电路,方法是将能源(热源或前面等式中的H)等同于电流源,高温器件与低温器件之间的温差等同于电压叛,(K×A/d)部分作为导电系数,或将倒数(EQ2)等同于热阻(单位为℃/W)。

一般来说热阻回应为符号theta;或Rtheta;或只回应为RA-B,其中A和B是再次发生热传导的两个器件。用于电路仿真改写热传递速率等式,获得以下结果:该仿真可以了解展开,以叙述器件的另一个热属性,称作热容。

正如将热阻仿真为电阻,可以将热容(CT,单位为J/℃)仿真为电容。将热容与热阻并联取得热电阻(ZT)。

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图1右图为传导热传导的修改RC模型。能源被模型化作电流源,热电阻被模型化作CT与RT并联。图1.修改的热电阻模型。在电路中,每个热界面都有冷电阻。

热电阻因材料、几何形状、大小和方向的有所不同而各异。系统(或电路)的热电阻对环境温度来说有一个总热电阻,它可以分解成为电路中每个元件的热电阻的并联和串联的人组。

例如,在半导体器件中,晶粒(也称为结)与周围空气(称为热电阻)之间的总热电阻,即由结到环境之间的热电阻(ZJ-A),将是结构中每个分开材料的单个热电阻的总和。考虑到在PCB上加装的并存MOSFET。

稳态热电阻(或热阻RJ-A)是结到器件外壳的热阻(RJ-C)、器件外壳到散热器的热阻(RC-S)与散热器到空气的热阻(RS-A)之和。(RJ-A=RJ-C+RC-S+RS-A)。此外,还可以有分段的风扇路径,例如从MOSFET结经过器件外壳到PCB,再行从PCB到环境温度。一般来说情况下,半导体制造商不会得出结点到器件外壳的热阻。

另一方面,RC-S和RS-A主要各不相同散热器和PCB的属性。许多因素不会影响热阻RC-A或RC-S,还包括PCB的层数、到辅助面的过孔数、与其他器件的相似程度以及气流速率。一般来说RJ-A会列在器件数据表中,但该数字是在特定测试板条件下得出结论的,因此仅有限于于在完全相同条件下测量的器件之间的较为。热阻(RJA)是电子元器件的最重要参数,因为它是器件风扇的指标(基于环境条件和PCB布板)。

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换言之,RJ-A可以协助我们根据环境条件和功耗估计工作结温。开关电源中的风扇电源管理电路中风扇考虑到的典型示例,可以参照图2右图美国国家半导体获取的LM3554电路。该器件是一个感应器降压转换器,面向蜂窝电话应用于中的高功率闪光LED。

LM3554是一个很好的测试工具,因为它是一个小型器件(1.6mm(1.6mm(0.6mm),而且可以获取高达6W的输出功率((1.2A闪光电流在5VLED中)。即使获取85%左右的效率,比较较小的输出功率能力和微小的16-bumpmu;SMDPCB,该器件都必须忍受较高的工作温度。图2.美国国家半导体的LM3554闪光LED驱动器测试电路。

LM3554中的初始骑侍郎热效应的主要展现出是器件电源的导通电阻减少和器件阈值的转变。在温度短路的极端情况下,该器件有可能看清热关机阈值而造成重开。告诉精确的RJ-A,可以协助确认器件在功率运营期间的结温,并保证电路按照预期可信地已完成应用于的拒绝。在有可能的情况下,该器件需要享有3.6V的输出电压、3.6V的LED电压和1.2A的LED电流。

在这种情况下,转换器将输入电压升到低于VIN300mV。这为器件的两个并联电流源(负责管理调节LED电流)获取了300mV的净电压。器件的总功耗将为实时PFET、NFET和两个电流源的功耗之和。

PFET和NFET的功耗在电阻元件上,因此必需用于RMS电流来精确估计功耗。此电流就是RMS电感电流除以电源周期(NFET和PFET的导通时间)百分比。

如果告诉转换器效率,可以用下面的等式算数出有频率:针对我们的情况,VOUT=VLED+300mV,且效率约为90%。这可以求出PFET频率(1-D)为83%,NFET频率为17%。RMS电感电流等式为:其中Delta;IL为峰到峰值电感电流,在我们的示例中约为140mA,ILDC是通过ILED/(1-D)求出的平均值电感电流。


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