DC/DC电源模块散热器的设计及热分析

设计应用T业控制责任编辑:万翀Dc/DC电源模块散热器的设计及热分析Design and Thermal Analysis of DC/DC Power Supply Module Radiator■舒浙伟郭康贤彭超广州大学物理与电子工程学院(广东广州510006)摘要:温度是影响DC/DC电源电路可靠性的重要因素之一。高、低温及其循环会对大多数电子元器件产生严重影响。它会导致电子元器件的失效,进而造成电源整机的失效。多芯片模块(MCM)和高密度三维组装技术的出现使得电子设备的热流密度越来越高。科学合理地设计电子设备以满足其热性能的要求在电源模块设计中至关重要。热管具有一种高效的传热能力,配以合理散热鳍片,将提高散热器的散热效果。本文以数值传热理论为基础,通过3D设计软件 Solidworks建立一套DC/DC电源模块的散热器模型,并利用热流分析软 EFD Pro对电源模块进行热分析仿真技术研究。图1热管工作原理关词:DC/DC电源模块; EFD Pro;热管;热分析DC/Dc电源棋块热分析流程DO:10.3989issn.1005551720121.0101)分析电源电路的布局结构,然后确定主要发热元器件引言源系统在允许的温度下能够稳定可靠2)分析电源电路对应的热路,确随着电子元器件的小型化、微小地工作定传热途径,绘出等效的热模型。型化,集成电路的高集成化和微组装资料表明,为保证工作稳定性和3)利用 Solidworks建立该电源散热等的发展,元器件、组件的热流密度延长使用寿命,芯片的最高温度不得器的3D模型,然后利用专业热仿真软不断提高,热设计也正面临着严峻的超过85C。器件的工作温度每升高件 EFD Pro,根据流体力学和数值传挑战。电源散热结构的好坏直接影10℃,其失效率增加倍。为保证电热学原理,结合实际的热边界条件,响到电源系统能否长时间稳定工作。子设备正常运行的安全性和长期运行对建立的模型进行仿真模拟。以传热学和流体力学为基础,结合电的可靠性,采用适当、可靠的方法控4)对仿真结果进行分析。通过对孑设备的具体结构,设计合理髙效的制电子元器件的温度,使其在所处的模型进行仿真模拟,分析其模拟结果散热装置,辅以先进的热分析软件仿工作环境条件下不超过稳定运行要求是否符合电源正常工作的要求。真研究,为电子设备创造出一个良好的最高温度。的工作环境,确保发热元器件以及电DC/Dc电罩块散器的设计热管图3散热鳍片和铝基板图4DCDC电源模块散热器结构中国煤化工155子品恩2012.1ww.epw.com.cnCNMHGDesignIndustry Control Application责任编辑:万翀图5电源模块主要元器件图6模块主要元器件温度分布云图图7DC/DC电源模块温度右视基准面温度分布云图电源热分析基本理论式(3)中,E为发射率,是斯为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段导热蒂芬玻尔兹曼常数(w/(m2k4),A冷却段),根据应用需要在两段中间导热又称热传导,基本规律是傅可布置绝热段。当热管的一端受热时里叶定律,其数学表达式为是辐射面的面积(m2),F12为1表面对毛纫芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微2表面的角系数,7、T2分别为辐射小的压差下流向另一端放出热量凝结-(1)面1、2的绝对温度(K)成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力式(1)中,λ是材料的导热系数的作用流回蒸发段。如此循环不己,(W/(mK),q是热流密度(W/m)管工作原理热量由热管的一端传至另一端。对流换热热管的应用更是成为了如今高性热管在实现这一热量转移的过程对流换热是指固体的表面与它周能散热器的代名词之一。热管是一种中,包含了以下六个相互关联的主要围接触的流体之间由于存在温差而引导热性能极高的被动传热元件。只要过程起热量的交换。对流换热可以分为两加热热管表面,工作液体就会蒸发。(1)热量从热源通过热管管壁和类:自然对流和强迫对流。对流换热蒸发端蒸汽的温度和压力都稍稍高充满工作液体的吸液芯传递到(液用牛顿冷却方程描述:于热管的其它部分,因此,热管内产汽)分界面生了压力差,促使蒸汽流向热管内较(2)液体在蒸发段内的(液一汽)分q=h(-7)(2)当蒸汽在热管壁上冷凝的界面上蒸发;式(2)中,h是对流换热系数w时候,蒸汽放出汽化潜热,从而将热(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流(mKx),T为固体表面的温度(K),传向了冷凝端。之后,热管的吸液芯到冷凝段T是周围流体的温度(K)结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只表1主要元器件的功率损耗要有热源加热,这一过程就会循环进元器件功率损耗/w幅射换热行芯片V辐射换热指物体发射电磁能,并热管就是利用蒸发制冷,使得芯片26被其他物体吸收转变为热的热量交换热管两端温度差很大,使热量快速传过程。在工程中,通常考虑两个或两芯片V34.5导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖个以上物体之间的辐射,系统中每个芯片v组成,将管内抽成13×(10-10)Pa物体同时辐射并吸收热量。它们之间变压器T4.5的负压后充以适量的工作液体,使紧的净辐射换热量传递可以用斯蒂芬变压器T23.5贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充玻尔兹曼定律来计算:满液体后加以密封。如图1管的一端稳压器S2.5φ=eAF2(T14-7)(3)稳压器S2V凵中国煤化工www.eepw.co界58CNMHG●设计应用工业控制责任编辑:万翀如果在热分析中包含了所有结构的细表2模型中各部分材料的热导率节,将会很大程度上增加建模以及热料热导率/F(mK)1铝分析的复杂度,使得在有限元网格划[%氧化铝板散热器翅片2386B5039分时,在非主要热源区域产生过多、股剂15过细密的网格单元,从而导致计算求管、线圈3936解的时间变得很长,因此,有必要国铅合金料B582对几何模型以及元器件进行简化处17.4877℃~43.7192℃之间,完全符图8DCDc电源模块右视基准面温理,忽略对模块热分布贡献很小的控合其正常工作范围(SC~105C)的度分布云图制芯片、电容等细节,忽略基板上的要求,达到了预定目标,满足设计要(4)蒸汽气在冷凝段内的汽一液分厚膜互连线、片式电阻和连接芯片的求。结果表明,设计的散热器有效提界面上凝结;焊线金丝等。经合理简化后模型如图高了开关电源的可靠性,延长了开关(5)热量从(汽气一液)分界面通过吸5所示。电源的寿命。液芯、液体和管壁传给冷源;如图5所示,电源模块中主要的(6)在吸液芯内由于毛细作用使发热元器件为芯片、变压器和稳压器总结冷凝后的工作液体回流到蒸发段。等元件。元件的生热与其热功耗直接为解决电源模块的热可靠性问相关。计算过程中,近似认为电功耗题,本文结合实际的Dc/DC电源模敢热器的设计全部转化为热功耗。根据各元件的特块例子,设计了一款结合热管和散热图2所示模型是用于该电源模块性、尺寸测量、输入输出电流,以及鳍片的散热器,并利用仿真软件EFD散热器的热管结构,图3为散热器主模块中各点的电压波形,分别计算出Po热分析平台模拟了电路内部的温要的散热鳍片的结构。各生热元件的电损耗,作为模拟的参度场分布特性。仿真结果表明该散热图4是按照上述方法设计并用3D数。器件的功率损耗如表1所示。器设计合理可行,并在一定程度上降软件 Solidworks仿真的散热器。本文热分析时模型的热边界条低了各元器件的温度,保证其在正常由图2-4可以看到该散热器主要件:工作范围,可为热设计提供指导,推由热管、散热鳍片和铝基板组成。热1)芯片的工作室温为25C。动设计进程,提高工作效率。并证实管利用相变原理和毛细作用,使得它2)主要热源为芯片、变压器和稳其对降低模块温度及提高温度均匀性本身的热传递效率比同样材质的纯铜所起的作用。W高出几百倍到数千倍。但是热管并不3)模块主要部件材料用途和属具备任何散热作用而仅仅具备导热的性,见表2。鲁文考文献作用而已,因此要想将热管导出的热根据各个元器件以及电源模块部1]吕召会某型电源热设计及其分析[小1电子机碱工程量尽快排出,散热器上还必须合理地件材料的参数配合所设计的散热器caton in ElectronIc CoolngIJ]Apphed Thermal Enginee200424(14-15}2207-22设计大面积散热鳍片。用 EFD Pro仿真得到的结果如图68所 LEEE Ts nd Th1Da1: X Interconnect示DC/Dc电源块热分析图6-8为模块的温度场分布图,)4和全华开关电源热仿真模型研究U电子学尔滨属怡热置技术公司主页 EB/OL].httP:nx8net电源模块的内部结构复杂,包含利用颜色深浅的变化表征模型中院H直等热图M北化工世20多种元器件、多层材料结构、多个截各部分的温度分布。从图中可以 ceat raesteiclIEFE inm Meas. Technol. ce面、复杂的互连布局以及连接方式,看出,电源模块温度变化范围在oflaoest, Hungary, 2001: 1045-1050中国煤化工■目57度子產品累2012.1www.eepw.com.cnCNMHG