開關電源熱設計有限元仿真分析

李增利
1.西安電子科技大學，陜西西安710071     2.陜西航空電氣有限責任公司。陜西興平71 31 00
摘要: 熱設計是開關電源可靠性設計的重要環節。本文針對開關電源芯片的溫度過高和多熱源之間的相互影響導致電源可靠性下降的問題，基于有限元軟件ANsYs對整個開關電源進行熱分析，得到了穩態溫度分布云圖，進而通過電路布局改進，散熱器參數設計，整體結構設計等幾個方面進行優化設計，降低了開關電源的芯片溫度，改善了整個開關電源的溫度分布情況，提高了開關電源的可靠性，延長了壽命，具有較強的理論價值和工程應用意義。
關鍵詞開關電源；熱分析；ANSYS：熱設計
中圖分類號 TN86 文獻標識碼A  文章編號1674—6708(2011)47一0034一02

O 引言
開關電源被廣泛的應用于國防軍事，工業自動化，家用電氣等領域的電子系統中。隨著開關電源逐步向小型化、高頻化、高功率密度發展，用戶對開關電源的可靠性設計提出了更高的要求。
溫升是影響開關電源可靠性的關鍵性因素，如何將熱量高效快速的導出，成為電源工程師的首要任務?。熱設計的好壞直接影響著開關電源的可靠性和壽命。因而熱設計是開關電源可靠性設計的重要環節。
本文以一個工作于密閉電源盒的開關電源為例，利用有限元軟件ANSYS對開關電源進行熱設計，來提高整個開關電源的散熱性能，使得開關電源的主要發熱器件的溫度控制在允許的范圍內，保證開關電源安全可靠的運行。

1 開關電源的熱分析
本文中開關電源為反激式，具有有源功率因數校正(APFc)環節。主要發熱元件有開關管，整流二極管，大功率電阻，變壓器與電感等。
首先利用ANsYs分析工作在空氣中開關電源的溫度分布情況。
1.1仿真邊界條件和慧荷說明
1)環境溫度：25℃；
2)對流系數：6W/m·K；
3)載荷：器件的生熱率(P為器件的發熱功率，V是器件等效熱源的體積)。
1.2模型的簡化處理
1)對于簡化線圈模型來說，由于線圈在實際中是由一圈一圈的漆包線繞制的，而且這樣的繞線也不規則，在模型建立中使用單一圓柱體來代替多圈的導體；
2)芯片熱源等效為長方體。

1.3網格模型
模型中有些部分的尺寸微小，如MosFET的等效熱源。尺寸為13.8×8×O.2mm3。選用ANsYs軟件中的s0LIDTO單元.通過設置MsHKEY和MsHAPE兩個選項，完成對單元形狀的控制。
在建立網格處理不規則體的時候，特別是連接處理后的非六面體的情況，采用退化的四面體單元進行網格劃分，可以通過設定EsIZE，LEsIZE的大小來決定單元網格的大小，則模型網格單元數目為324532。.
1.4仿真結果分析
表l中是工作在空氣中開關電源的溫度分布情況。利用紅外熱像儀測得的溫度。與仿真的溫度值對照，相對誤差較小，具有很好的準確性。實際上。此開關電源工作在一個封閉的電源盒內，內部的空氣流動速度很慢。在理想狀態下，認為內部空氣處于絕熱狀態，幾乎不導熱。因而各器件的實際工作時溫度會更高。因此。為保證開關電源安全可靠的運行。必須采取有效的散熱措施，迅速的將電源盤內部的熱量導出。降低主要熱源的溫度。

2 開關電源的熱設計分析
如何尋找低熱阻通路來將熱最迅速導出是設計開關電源熱設計的關鍵問題，因為只有開關電源器件的結點溫度降低后，這樣才能避免高溫而導致開關電源可靠性下降的問題。此開關電源工作在一個封閉的電源盤內，由于工作環境特殊，不允許加風扇，只能采取自然散熱的措施。其熱設計的內容包括電源盤的內部熱設汁和電源盤的外部熱設計。
通過設計將開關電源的前后級MOsFET，后級二級管，整流橋的溫度控制在60。c以內，變壓器的溫度低于65℃。

2.1電源盒的內部熱設計
開關電源的電源盒內部熱設計主要是調整器件布局和改變內部介質。
1)電路布局的熱設計
密封電源盤內熱源的主要散熱途徑有以下幾個方面：首先，通過熱源經盒內介質向殼體傳導的熱量，可以通過對流和輻射在殼體的表面將熱量發散到大氣中；其次，通過盒體內部的介質可以把熱量傳遞到其他部件上，這樣就可以形成溫度的疊加效應。
所以。在設計過程中，在考慮不影響電路性能的情況下，應該使得發熱部件盡町能分散，且在電路板邊緣分布，另外，固定在電源盒的導熱鋁板應該與其相連。電路板的后邊緣則應該放置前后級M0sFET和整流橋，與電源盒的側壁相連靠的是2m的導熱鋁板；而電路板的前側邊緣放置后級二極管，同樣，電源盒的側壁相連靠的是同樣厚度的導熱鋁板
2.2電源盒的外部熱設計
電源盒的壁厚和殼體表面肋片的設計構成了電源盒的外部熱設計，需要注意，其表面的散熱方式為對流和輻射。這樣，根據流散熱的原理，表面散熱面積則是影響散熱的主要因素，其中，電源盒的表面散熱面積與外殼肋片的高度影響I茸接相關。開關電源的傳導散熱主要受到電源盒的壁厚的影響，同時，電源盒表面的對流散熱則受到外殼的肋片高度影響。因此，對于多熱源的封閉盒體來說，在限定電源盒尺的條件下，外殼的肋片高度對于散熱的影響一般大于肇厚的影響，所以對于封閉盒體來說，主要的散熱形式為表面的對流散熱，這樣能有效的散發熱量，降低盒體內部器件的結點溫度。
所以根據上述結果分析可知。對于電源熱設計中需要采用內部灌膠，而對于主要發熱器件來說則需要通過導熱鋁板與電源盒外殼相連，同時采取電源盒外殼加肋片的綜合散熱措施，這樣可以有效控制開關電源溫度，達到預定目標，從而滿足設計要求。

3 結論
本文開共電源因其工作環境的要求，限制了散熱措施的選擇。
在只能采取自然散熱措施，且功耗很大，電源盒的尺寸和重量受到嚴格限制的條件下，分別對電路板和電源盒的結構進行了熱設計，尋找一種有效的散熱措施，降低了主要器件的溫度。提高開關電源的可靠性。延長了壽命。
參考文獻
【1】余明楊，蔣新華，王莉，等.開關電源的建模與優化設計研究【J】.中國電機工程學報，2006，26(2).
【2】姬海寧，蘭中文，張懷武，等.基于ansys的開關電源變壓器熱模擬研究[J】.磁性材料及器件，2006，37(4).


詳細原文，附件，詳見熱設計論壇貼子：開關電源熱設計有限元仿真分析

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