eng
Чтобы продлить срок службы мощных модулей питания и конечных продуктов, в которых они используются, необходимо эффективно отводить выделяемое ими тепло. О том, как выбрать подходящий радиатор охлаждения, рассказывается в статье.
Высокая плотность мощности (Вт/см3), реализованная в модулях питания форм-факторов Brick, делает их охлаждение в реальных приложениях непростой задачей. Как правило, такие модули размещены в пластиковых корпусах с теполоотводящим металлическим основанием. Компоненты, выделяющие большую мощность (полупроводниковые элементы, катушки индуктивности, трансформаторы и др.), термически сопряжены с этим основанием. Оно, в свою очередь, может быть присоединено к внешнему радиатору охлаждения, который поддерживает его температуру ниже допустимого значения (обычно от 85 до 100˚C).
В системе модуль питания–радиатор происходит кондуктивный (через прямой контакт между твердыми телами), конвективный (через контакт с воздухом или жидкостью) и радиационный (через ИК-излучение) теплообмен (рис.2). Передача тепла зависит от тепловых сопротивлений различных участков на пути распространения теплового потока – от полупроводникового элемента до радиатора охлаждения.
Чтобы обеспечить необходимое охлаждение модуля питания, нужно правильно подобрать размер и форму радиатора и определить, требуется ли принудительное воздушное охлаждение. Этот процесс начинается с подробного рассмотрения спецификаций модуля питания и анализа характеристик конечного устройства (тепловых нагрузок, рабочих температур, пространственных ограничений, доступных источников и путей распространения воздушного потока).
На следующем этапе нужно определить энергию, которая будет потеряна внутри модуля, основываясь на его КПД. Необходимая для этого информация обычно приведена в документации к модулям, но может быть также получена путем измерения входной и выходной мощностей. В качестве примера рассмотрим типовой AC/DC-преобразователь с выходными параметрами 48 В, 10,5 А, 504 Вт и КПД 85% при входном напряжении 120 В AC. Максимальная рабочая температура металлического основания этого модуля, измеренная в центральной точке, составляет 100˚C.
Для вычисления мощности, рассеянной внутри модуля, можно воспользоваться выражением:
Pd = (Pout/η) – Pout,
где Pout – выходная мощность, Вт; η – КПД.
Подставляя приведенные выше значения, получаем:
Pd = (504/0,85) – 504 = 88,9 Вт.
Далее нужно вычислить тепловое сопротивление участка между основанием и окружающим воздухом. Это можно сделать по формуле:
θba = (Tb – Ta)/Pd,
где Tb – температура основания, ˚C; Ta – температура окружающего воздуха (в данном случае примем ее равной 40˚C).
Для рассматриваемого примера
θba = (100 – 40) / 88,9 = 0,67˚C/Вт.
Таким образом, в данном случае нужен радиатор (с принудительным воздушным охлаждением или без него), который обеспечивает тепловое сопротивление 0,67˚C/Вт. Однако на практике необходимо учитывать также сопротивление теплового контакта между радиатором и основанием модуля (θbs). При использовании термопасты оно составляет около 0,1˚C/Вт. Следовательно, тепловое сопротивление на участке между самим радиатором и окружающим воздухом должно быть равно:
θsa = θba – θbs = 0,67 – 0,1 = 0,57˚C/Вт.
Теперь нужно выбрать из числа совместимых с данным модулем питания радиаторов тот, тепловое сопротивление которого составляет 0,57˚C/Вт. В данном случае таких радиаторов три (рис.3). Из рисунка видно, что для рассматриваемого примера подойдет радиатор HAF-15L (компании TDK-Lambda) с принудительным охлаждением потоком воздуха со скоростью около 1 м/c. Если исходить из более консервативных требований и стремиться увеличить время наработки модуля на отказ (MTBF – mean time between failures), нужно выполнить расчет для температуры металлического основания 85˚C.
Здесь необходимо сделать одно важное замечание. После тепловых расчетов, выбора радиатора и скорости воздушного потока следует подтвердить полученные результаты в реальных экспериментах. Основная трудность при этом заключается в том, чтобы получить доступ к центральной точке металлического основания – там нужно измерить температуру, когда модуль работает под нагрузкой. Один из способов сделать это – просверлить отверстие в центре радиатора, через которое провода от термопары, размещенной в центре основания, будут идти к измерительному устройству.
Итак, в статье показано, как можно выбрать систему охлаждения для модулей питания. Поскольку их КПД постоянно увеличивается, требования к охлаждению будут снижаться, но разработчики всегда должны учитывать тепловое воздействие модулей питания, а также других устройств в системе. Для более точной оценки всегда рекомендуется провести реальные исследования теплового режима системы с помощью термопар, размещенных в модулях питания и в других частях конечного продукта. Это гарантирует максимально надежную работу изделия. ●
В системе модуль питания–радиатор происходит кондуктивный (через прямой контакт между твердыми телами), конвективный (через контакт с воздухом или жидкостью) и радиационный (через ИК-излучение) теплообмен (рис.2). Передача тепла зависит от тепловых сопротивлений различных участков на пути распространения теплового потока – от полупроводникового элемента до радиатора охлаждения.
Чтобы обеспечить необходимое охлаждение модуля питания, нужно правильно подобрать размер и форму радиатора и определить, требуется ли принудительное воздушное охлаждение. Этот процесс начинается с подробного рассмотрения спецификаций модуля питания и анализа характеристик конечного устройства (тепловых нагрузок, рабочих температур, пространственных ограничений, доступных источников и путей распространения воздушного потока).
На следующем этапе нужно определить энергию, которая будет потеряна внутри модуля, основываясь на его КПД. Необходимая для этого информация обычно приведена в документации к модулям, но может быть также получена путем измерения входной и выходной мощностей. В качестве примера рассмотрим типовой AC/DC-преобразователь с выходными параметрами 48 В, 10,5 А, 504 Вт и КПД 85% при входном напряжении 120 В AC. Максимальная рабочая температура металлического основания этого модуля, измеренная в центральной точке, составляет 100˚C.
Для вычисления мощности, рассеянной внутри модуля, можно воспользоваться выражением:
Pd = (Pout/η) – Pout,
где Pout – выходная мощность, Вт; η – КПД.
Подставляя приведенные выше значения, получаем:
Pd = (504/0,85) – 504 = 88,9 Вт.
Далее нужно вычислить тепловое сопротивление участка между основанием и окружающим воздухом. Это можно сделать по формуле:
θba = (Tb – Ta)/Pd,
где Tb – температура основания, ˚C; Ta – температура окружающего воздуха (в данном случае примем ее равной 40˚C).
Для рассматриваемого примера
θba = (100 – 40) / 88,9 = 0,67˚C/Вт.
Таким образом, в данном случае нужен радиатор (с принудительным воздушным охлаждением или без него), который обеспечивает тепловое сопротивление 0,67˚C/Вт. Однако на практике необходимо учитывать также сопротивление теплового контакта между радиатором и основанием модуля (θbs). При использовании термопасты оно составляет около 0,1˚C/Вт. Следовательно, тепловое сопротивление на участке между самим радиатором и окружающим воздухом должно быть равно:
θsa = θba – θbs = 0,67 – 0,1 = 0,57˚C/Вт.
Теперь нужно выбрать из числа совместимых с данным модулем питания радиаторов тот, тепловое сопротивление которого составляет 0,57˚C/Вт. В данном случае таких радиаторов три (рис.3). Из рисунка видно, что для рассматриваемого примера подойдет радиатор HAF-15L (компании TDK-Lambda) с принудительным охлаждением потоком воздуха со скоростью около 1 м/c. Если исходить из более консервативных требований и стремиться увеличить время наработки модуля на отказ (MTBF – mean time between failures), нужно выполнить расчет для температуры металлического основания 85˚C.
Здесь необходимо сделать одно важное замечание. После тепловых расчетов, выбора радиатора и скорости воздушного потока следует подтвердить полученные результаты в реальных экспериментах. Основная трудность при этом заключается в том, чтобы получить доступ к центральной точке металлического основания – там нужно измерить температуру, когда модуль работает под нагрузкой. Один из способов сделать это – просверлить отверстие в центре радиатора, через которое провода от термопары, размещенной в центре основания, будут идти к измерительному устройству.
Итак, в статье показано, как можно выбрать систему охлаждения для модулей питания. Поскольку их КПД постоянно увеличивается, требования к охлаждению будут снижаться, но разработчики всегда должны учитывать тепловое воздействие модулей питания, а также других устройств в системе. Для более точной оценки всегда рекомендуется провести реальные исследования теплового режима системы с помощью термопар, размещенных в модулях питания и в других частях конечного продукта. Это гарантирует максимально надежную работу изделия. ●
Отзывы читателей
