電源適配器熱設計的三個層次
所謂熱設計就是把電子設備輸入的熱量降至最低,并提高散熱效果,把電子設備內部有害的熱量排出到電子設備外部的環境中,獲得合適的工作溫度,使其不超過可靠性規定的限值,確保設備可靠、安全的工作。電子設備的熱設計可分為3個層次。
(1)電子設備機箱、機框及方腔等的系統級別的熱設計,即系統級(systems)熱設計。
(2)電子模塊、散熱器、PCB級別的熱設計,即封裝級(packages)熱設計。
(3)元器件級別的熱設計,即組件級(components)熱設計。
系統級(ji)熱(re)設計(ji)主要研究電(dian)子(zi)(zi)設備所處環境的溫(wen)度(du)(du)對其影(ying)響,環境溫(wen)度(du)(du)是系統級(ji)熱(re)設計(ji)的重要邊(bian)界條件。系統級(ji)熱(re)設計(ji)是采取措施控(kong)制環境溫(wen)度(du)(du),使電(dian)子(zi)(zi)設備在適宜的溫(wen)度(du)(du)環境下進行(xing)工作。
系(xi)統級制(zhi)造商所(suo)面(mian)對的最大問題就是研發一(yi)種散(san)熱(re)(re)(re)(re)效率高的機(ji)箱、機(ji)框(kuang)及方(fang)(fang)腔,以使熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)可以迅速地導入至環(huan)境中。每一(yi)種電子設備的設計考慮都是不同的,并且(qie)需(xu)要(yao)清(qing)楚地了(le)解電子設備性能和(he)所(suo)受的尺寸限(xian)制(zhi)。例(li)如,在金屬(shu)塊(kuai)和(he)PCB墊片(pian)間必須進行(xing)可靠(kao)和(he)有(you)效的連接。通常,熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)通過(guo)PCB上的熱(re)(re)(re)(re)過(guo)孔到達另(ling)一(yi)層的銅塊(kuai)上,之后(hou),熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)再通過(guo)導熱(re)(re)(re)(re)的方(fang)(fang)式進入外(wai)殼或外(wai)部(bu)散(san)熱(re)(re)(re)(re)器中。
當一(yi)個(ge)外(wai)殼內需(xu)要去除大(da)量(liang)(liang)的熱(re)(re)時,需(xu)要一(yi)個(ge)外(wai)部(bu)散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi),外(wai)部(bu)散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)擴展了換熱(re)(re)表面(mian),便于(yu)熱(re)(re)量(liang)(liang)進(jin)入空(kong)氣(qi)中(zhong)。散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)常用(yong)的材料(liao)是鋁或(huo)(huo)(huo)銅(tong)。由于(yu)散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)和空(kong)氣(qi)之間(jian)為對流(liu)換熱(re)(re),所(suo)以有必要對散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)的幾何外(wai)形進(jin)行優(you)化。優(you)化設(she)計必須考慮散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)周圍的空(kong)氣(qi)流(liu)動(dong)情況,而這一(yi)區域的空(kong)氣(qi)流(liu)動(dong)又受到散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)的影響(xiang),這是散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)優(you)化設(she)計所(suo)要面(mian)對的挑(tiao)戰。散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)的性(xing)能取決于(yu)材料(liao)、翅(chi)片(pian)數(shu)、翅(chi)片(pian)厚(hou)度(du)和基板厚(hou)度(du)等(deng)參數(shu)。銅(tong)材料(liao)具有很高的熱(re)(re)導率(lv),但(dan)相同(tong)體積(ji)下鋁的質量(liang)(liang)更輕,同(tong)時價格也更便宜。例如,在一(yi)些PCB中(zhong)通過使用(yong)一(yi)些基板來提升傳熱(re)(re)能力,這些基板使用(yong)陶瓷或(huo)(huo)(huo)覆有銅(tong)、鋁或(huo)(huo)(huo)其他材料(liao)。
封裝(zhuang)(zhuang)級熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)在國外(wai)發展(zhan)較為成熟,出(chu)現了(le)電子元器件封裝(zhuang)(zhuang)專業。封裝(zhuang)(zhuang)級熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)與(yu)設(she)(she)備的(de)(de)電路(lu)設(she)(she)計(ji)、結構設(she)(she)計(ji)密切相關。對PCB基材進行適當選擇是封裝(zhuang)(zhuang)級熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)的(de)(de)重要內容(rong)。覆銅箔(bo)層壓板(ban)的(de)(de)種類(lei)和特性(xing)是PCB設(she)(she)計(ji)和制造(zao)工藝人員所關心(xin)的(de)(de)項(xiang)目,除了(le)一般要求的(de)(de)強度、絕(jue)緣、介質系數(shu)等外(wai),對覆銅板(ban)的(de)(de)熱(re)(re)性(xing)能(neng)有特殊要求。覆銅板(ban)的(de)(de)熱(re)(re)性(xing)能(neng)有兩個(ge)方面(mian)的(de)(de)內容(rong)。
(1)覆銅板的耐溫特性。環氧玻璃布覆銅箔層壓板具有優良的電性能和化學穩定性,工作溫度為-230℃~260℃。聚酰亞胺覆銅箔層壓板,除上述優良性能外,還具有介電系數小、信號傳輸延遲小的特點。
(2)覆(fu)銅板(ban)的(de)(de)導(dao)熱性能。選用耐高(gao)(gao)(gao)溫、導(dao)熱系(xi)數高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)材料來作為PCB的(de)(de)材料。在相同的(de)(de)條件(jian)下,環氧玻璃(li)布層壓板(ban)圖形導(dao)線溫度(du)升高(gao)(gao)(gao)可達40℃,而(er)金屬芯PCB圖形導(dao)線溫度(du)升高(gao)(gao)(gao)不到20℃,因而(er)金屬芯PCB在電子(zi)設備中得到了廣(guang)泛的(de)(de)應用。
電子設備各個部件是(shi)(shi)由(you)各種不(bu)(bu)同材(cai)料(liao)的元器件組成的,如(ru)硅(gui)芯片、氧化硅(gui)絕緣(yuan)膜、鋁互(hu)連線(xian)、金屬引線(xian)框架和(he)塑料(liao)封(feng)裝外殼等。這些材(cai)料(liao)的熱(re)(re)膨脹系(xi)數各不(bu)(bu)相(xiang)同,一旦(dan)遇到溫度變(bian)化,就會在不(bu)(bu)同材(cai)料(liao)的交界面上產(chan)生壓縮或拉伸應力,因(yin)(yin)此就產(chan)生了熱(re)(re)不(bu)(bu)匹配應力,簡稱熱(re)(re)應力。材(cai)料(liao)熱(re)(re)性質不(bu)(bu)匹配是(shi)(shi)產(chan)生熱(re)(re)應力的內因(yin)(yin),而溫度變(bian)化是(shi)(shi)產(chan)生熱(re)(re)應力的外因(yin)(yin)。
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