电源散热设计.doc

电源及电源散热设计

散热设计
SECTION 1: 大功率器件的散热设计
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电子技术不断发展,大功率器件发热功耗越来越大、热流密度不断增加。产品散热设计对产品可靠性有着至关重要影响。要对大功率器件进行良好散热设计,首先要了解功率器件热性能指标,然后选择合适散热方式,正确风道设计以及对散热器进行必要优化分析，最后规范、正确安装散热器使器件达到最佳散热效果。

1、 器件热性能参数
器件厂家会提供器件焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息，这是参数是进行散热设计基础和前提。下面对一些常用热参数逐一说明：

TDP—器件热耗散功耗，单位W（瓦），表示器件实际发热量大小
Tc--器件壳体温度，单位℃
Tj--结点温度，单位℃。结点温度提高，半导体器件性能将会下降。结点温度超过最大限制，器件寿命极度下降烧毁。这是进行热设计关注焦点。
Ta--环境温度，单位℃
Rja--结点到环境热阻，单位℃/W
Rjc--结点到器件壳热阻，单位℃/W

归根到底，热设计主要任务是要满足： Tj< Tj(max)并留有适当余量（通常要保证有10%以上余量）。

Tj(max)=P* Rjc+ Tc(max)
Tc(max)即器件表面最高温度，很显然散热设计越成功，Tc(max)就会越低。

2、 散热方式选择

系统散热方式选择应充分考虑系统发热功耗，温度/体积/重量要求，防护等级，散热装置可操作性，价格等诸多因素，最终选择最适合自己产品、有效散热方式。 散热主要分为：自然散热、强迫风冷。液体冷却等。目前普遍采用散热方式仍然是风冷。下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升关系。

自然散热：空气自然对流将热量带到周围空间。这种散热方式可以用发热功率不大，重量，温度等要求不高场合。优点：结构简单、无噪音、价格低廉。
强迫风冷：发热功耗大器件，选用强迫风冷是很必要，尤其配合一些高效能散热器可以达到理想散热效果。强迫风冷换热效率高，一般是自然散热方式数倍。优点：散热效率高，产品重量可被大幅度降低。

3、 风机选型以及风道设计

系统采用强迫风冷散热方式，选择合适散热风机直接决定了系统散热状况。要进行风机选型，首先需要确定系统所需要散热风量，下面公式计算：

其中∆T表示了系统进/出风口温度差。
风机选型要结合系统风量需求、系统阻力、风扇特性曲线等要求进行综合评估确认。

强迫风冷系统风道实际很关键，风道一般分为送风和抽风两种方式，这两种方式优缺点分别是：
送风方式：
A、风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中情况，此时必须将风扇主要出风口对准集中发热元件
B、吹风时将设备内形成正压，可止缝隙中灰尘进入设备
C、风扇将不会受到系统散热量影响，工作较低空气温度下，风扇寿命较长

抽风方式：
A、送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂情况
B、进入风扇流动主要为层流状态
C、风扇将出风口高温气流下工作，寿命会受影响
D、系统内形成负压，缝隙中灰尘将进入机柜/箱

4、 散热器优化
大功率器件散热器优化主对散热器基板厚度、齿片厚度，间距，高度，表面处理方式等参数进行优化设计。计算机仿真技术不断进步，我们可以依托电子热仿真分析软件对散热器进行优化，优化结果准确、直观。

5、 正确安装
正确合理安装可以保障散热产品良好发挥其作用，提升产品整体可靠性。我们知道：散热产品安装过程中主要保证器件与散热器有着良好、充分表面接触----使器件与散热器之间接触热阻尽可能低。
影响接触热阻主要因素有以下几方面原因
1、 接触面平面度
2、 散热产品与热源接触压力
3、 热界面材料选用和涂抹
正确涂抹界面材料建议使用专用治具，可以参考下面图片，保证热界面材料均匀，通常厚度需要控制0.12—0.18mm之间。

SECTION 2:散热 设计 基础

一、热交换基本定律及计算

(一)热交换基本定律
(二)
由热力学第二定律可知，只要有温差存在，热量就会自发地从高温物体传向低温物体，形成热交换。热交换有三种模式：传导、对流、辐射。

就大多数电源的散热问题而言，传导和对流是主要的散热模式。但实际上在任何一个热分析问题中，三种模式都不同程度地存在着，下面就这三种热交换模式进行分析。

1．传导传导是指热量通过直接接触的物体从高温端传向低温端。它是功率半导体器件的结到壳和外壳到散热器的最有效途径。在纯传导中，热与温度的关系式为

2．对流 对流是指由于发热体周围的热空气密度比其附近的冷空气密度低，因此热空气和冷空气之间自然会形成对流。对流实质上是利用流动的气体或液体流过热导体表面将热量带走。对流符合牛顿热定理，即

3．辐射辐射是由于导热体和邻近物质或空间之间存在温度差，所以导热体就会以电磁波的形式向外发送热量。散热器的表面温度越高，表面越粗糙，表面发黑率越高，散热器辐射能量的能力就越强。因此多数散热器都经过氧化发黑处理，就是为了要增大热辐射的能力。在传导和对流中，热传递是通过固体或液体进行的，而辐射热传递不需要任何物质作为媒介。热辐射是由于自身的温度而引起的电磁辐射。辐射热传递与其本体的绝对温度成比例关系。对于辐射热传递，有斯蒂芬一波尔兹曼定律存在。即

由此式可以看出，辐射热量与绝对温度之间为非线性关系。这是与传导和对流不同的第一点。第二点不同还在于辐射的热量主要取决于分布在周围的各种物体的表面温度，而不像对流那样取决于周围的流动空气的温度。

由上述公式可以得出下列有助于辐射的措施：

1)发热物体表面越粗糙，热辐射能力也越强。一般应将发热元器件外的屏蔽罩壳涂上色漆，散热片表面涂黑色或有色粗糙的漆；对热敏感的元器件，其表面常做成光亮白色的，以减少吸收辐射热。

2)加大辐射体与周围环境的温差。

3)加大辐射体的表面面积。

这三种传热方式往往同时存在，热传输是多维的。在具体条件下可忽略次要因素，进行简化计算。例如，半导体芯片到外壳的热传输主要是传导，对流和辐射与传导相比可忽略不计，又如在高空条件下，对流处于次要地位，主要是传导和辐射散热，等等。

(二)热路

1．电热模拟及其应用 模拟的方法有助于把一些抽象的对象变得比较直观，所谓电热模拟就是用导电回路来模拟电子器件的散热回路。用电参数来模拟热量的传递。具体地讲，即用电路中的电流来模拟热路中的热量Q(在计算中，常用半导体器件的耗散功率PD来代替热量Q)，用电流的流动来表示热流的传递。电压V相当于温差△T，电阻R相当于热阻Rth。

就辐射而言，因为这是一个非线性的热交换模式，因此不能推导出类似于传导和对流的热阻公式来。

热阻是一个非常有用的概念。散热器通常就是用热阻来表示其性能的。功率半导体器件的热参数也是根据结到壳的热阻来标注的。

2．热路与温度计算图10—1为半导体器件安装在散热器上的示意图，由图可见，芯片是焊接在外壳的底座上的。芯片上的功耗产生的热能通过传导由芯片传到外壳的底座，再由外壳将少量的热能以对流和辐射的形式传到环境中去，而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器，最后由散热器传到空气中去。

由此可见，热传递过程是很复杂的，要进行精确的计算是很困难的。在工程上，如允许误差在5～10℃范围内，就算足够精确了。为此，根据热电相似原理引入热路的概念。因为热路中有热容存在，所以在瞬态时，热阻是时间的函数，稳态时，热阻Rth与时间无关。

(三)计算举例

例1：

有4个功率晶体管安装于同一个散热器上，每个晶体管平均损耗为8w，晶体管管壳为F一2型，Rjc为0．55℃／W；壳到散热器间云母绝缘垫片的热阻尺。为0．7℃／W，散热器的热阻Rsa=2．5℃／W；环境温度为70℃。求结温Ti。

解：根据题意作出等效热路如图10—3所示。由等效热路可以求得一个晶体管的结温

二、热设计步骤

SECTION 3: 两种散热方式设计原理及计算

一、自冷式热设计原理及计算

在自然对流和辐射情况下，平板散热器垂直安装，型材散热器沟道应该是垂直的。叶片的表面应该涂漆或处理以使其有良好的辐射率，例如铝应该进行氧化处理。

至于强制对流下的散热器，其放置方向并没有硬性的规定，当然仍然是要使冷却空气能通过散热器叶片之间的沟道自由流动为原则。

(一)自冷式热设计公式

由于散热器装上后会使热阻大大减小，而热量总是趋向于向热阻最小的方向流动，因此当电源模块装上散热器后，可以认为，电源模块产生的热量基本上都是通过散热器而散发出去的。只有很少(小于10％)的热量是从电源模块的外壳底板与侧面壁通过热交换而散发出去的。由前面几节的公式我们能求出电源模块所消耗的热量Pd及模块外壳与周围流体(空气)的温差△T。这样散热器所需要的热阻Rth为

下面的任务就是查散热器的产品目录或手册，从中找出与电源模块基板尺寸相当的、在合适环境温度及自然对流与辐射下的热阻值小于Rth的散热器即可。

(二)常用散热器热阻

常用的散热器有平板散热器、型材散热器和叉指形散热器等。又指形散热器由于散热叉指之问的“烟囱效应”利于热对流，所以在相同热阻下，叉指形散热器比其他散热器体积小、重量轻。国产的叉指形散热器型号为SRZ系列。国产的型材散热器型号为XC系列、DXC系列、XSF系列等。表10—3和表10—4分别为国产型材散热器和国产叉指形散热器的型号及其对应的热阻阻值表。

从表10—3和表10—4可见，散热器到环境的热阻随加到散热器上的耗散功率Pd值的增大而略有下降。这是因为当加于散热器上的耗散功率Pd增大时，散热器上的温升△T也随之增大。散热器和环境之间的温差一旦增大，散热器的辐射散热和对流散热的散热能力增强，所以其热阻呈现略有下降的趋势。

如手头一时无型材散热器、叉指形散热器而准备采用铝平板作为散热器时，可查图10—5、图10—6散热器的热阻曲线图，从中选择符合要求的铝平板散热器的尺寸。

(三)自冷散热设计注意事项

1) 从散热效果看，散热板制成正方形或圆盘形比较理想。若受加工条件或安装位置的限制而必须制成长方形时，长、宽之比不得超过2：1。

2) 散热板与器件相接触的表面应保持光洁、平直(接触面上的凸凹距离小于0．05mm)，没有翘曲和锈蚀。散热板要紧固在器件上，保证两者紧密贴合。器件尽量安装在散热板的对称中心处。散热板应垂直放置，平放会影响散热效果。为改善散热条件，最好在接触面上涂一层导热硅脂。

3) 假如要求散热板与器件的金属壳保持绝缘，需在两者之间加一层云母衬垫，并在固定螺钉与器件金属表面之间加上绝缘垫圈和绝缘套筒。加0．05mm厚的云母衬垫之后，Ros约为1．8℃=／W。此外，还可选聚酯薄膜、氮化硼瓷片等绝缘衬垫。

4) 散热板应尽量远离电源变压器、大功率晶体管等热源。为提高散热效率，通常把散热板表面处理成黑色。

5) 以上是从热传导的角度来设计散热板的，鉴于集成电源工作时管壳温度低于100℃，因此不必考虑热辐射问题。

二、风冷式热设计原理及计算

在许多应用系统中，即使是加装了散热器，也不能保证电源系统工作在规定的温度之下。如果在这种情况下，电源的工作条件(如电气条件、周围流体温度、周围封闭壁的温度、壳温及放置方向等)也得不到很好的改善，那么只能选择强制对流作为散热方式。

(一)根据风速进行散热设计

1．风扇速度计算 风扇速度可依据下式进行计算：

因为风扇的参数一般是在自由空气传输中标定的，也就是说在无压力的情况下进行的。而在实际应用系统中，风扇往往要承受系统给予的回压阻力。而这种压力与很多因素有关，很难确定其大小。为此，为了补偿这种压力差的影响，一般要将选用的风扇参数降额60％～80％使用。

2．风冷情况下散热器选择 实际上对于一个特定的系统而言，可有各种散热器解决方案，你可以选择一个气流速度较大条件下的小散热器，也可以选择在气流速度较小环境下工作的大散热器。气流速度越高，由风扇产生的噪声越大，但这些缺点可以通过获得较小的系统尺寸来补偿。值得注意的是：当气流速度大于7m／s时，几乎不会再加强冷却效果。当系统中电源是惟一需要散热的设备时，也可以选用带风扇的散热器。

在强制对流情况下，散热器的选择与自然对流情况下的散热器的选择其方法是类似的。虽然流体(空气)温度对决定需要多大的热阻很重要，但不是选择散热器的主要因素，只有气流速度才是选择散热器(与基板尺寸相匹配的散热器)热

(二) 根据压差流量进行散热设计根据压差流量进行散热设计时，需要知道散热器和风扇的强制对流特性。散热器的强制对流特性是指散热器到空气间的热阻和通过散热器后的气压差与空气流量的关系；风扇的强制对流特性是指风扇空气流量与气压差的关系。风扇和散热器空气流量与气压差关系曲线的交点就是通过散热器的空气流量(见图10—8)。在这个空气流量下散热器到空气问的热阻，可从散热器的空气流量与热阻的关系曲线上直接读出。确定工作点时，需要考虑以下问题：

SECTION 4: 集成稳压器散热设计

一、集成稳压器不同封装及热阻

二、集成稳压器散热设计

(一) 集成稳压器加散热器后的等效热阻

给半导体器件加散热器后可以减小总热阻，其等效热路如图10—2所示。

设集成稳压器的允许最高结温为TjM，最高环境温度为TAM，散热板到周围空气的热阻Rsa，加散热器后器件的实际功耗为Pn，有关系式

(二)集成稳压器散热设计步骤

SECTION 5: 集成电源模块散热设计

一、集成电源模块散热设计步骤

(1)确定散热器必须散掉的功率 散热器必须散掉的功率决定于变换器模块的效率和最恶劣工作条件下的输出功率。模块的内部功耗计算式为

电源模块的效率计算式为

电源模块的效率随输入电压和输出电流变化而变化，而且各种型号模块的效率并不一致，PHl50F280—5模块的效率与输出电流和输入电压的关系如图10—10所示。

图中虚线对应输入电压为200V，实线对应输入电压为280V，点画线对应输入电压为400V。例如，PHl50F280—5模块工作在额定输入电压280V且输出电流为额定输出电流的100％时，效率为83％。通常留2％的余量，则效率=81％。

(2)计算散热器一空气之间的热阻集成模块电源对流散热模式及等效热阻如图10—11所示。基板温度取决于空气的温度、总功耗和总热阻(基板和散热器接触面的热阻和散热器到空气之间的热阻)的数值。散热器到空气间的热阻决定于下列因素：散热器的材料和几何尺寸、空气温度、空气密度和空气流速。

由图10—11可以看出，散热器一空气之间的热阻计算式为

(3)确定接触面热阻估算或通过试验测定散热器接触面的热阻。为了减小接触面的热阻，应当采用导热胶。估算热阻时，应当留有0．2℃／W的安全余量。

(4)选定散热器选择体积满足要求的几种散热器。利用选定的散热器的数据(最好是在最恶劣环境温度Ta下的数据)，可得到该散热器自然对流散热时的热阻值。在安装空间和成本都允许的条件下，应选用热阻值最小的散热器。应当记住，基板温度略微降低一点，平均无故障时间(MTBF)就会显著提高。如果选用散热器的热阻值大于按第(2)步计算出来的热阻值，应选用体积更大的散热器，或者采用其他散热方法(比如强制对流散热等)。

(5)强制对流热阻计算 散热器强制风冷散热能力比自然风冷可增加许多。由于散热器罩壳中的空气不是均匀对流的，所以强制风冷的热学设计不容易计算。下面介绍通过测定罩壳模型风速，从而估算出热阻的方法。首先做一个罩壳模型，它包括罩壳的外形、风扇的数量和位置、风吹过散热器的方向、散热器周围元器件的布局等。风扇工作时，用风速表测量空气流入和流出的速度。应当注意，该速度应当在散热器的中心测量，如图10—12所示，然后求出空气流人流出的平均速度。

散热器的热阻还可通过图10一13所示的散热器热阻与风速的关系来确定，该热阻必须小于第(2)步中所计算出的热阻。如果该热阻值达不到要求，可通过改变风扇的数量与特性，或重新考虑罩壳的结构来获得满足要求的热阻。

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SECTION 6: 分布式电源系统设计

分布式电源系统不再使用统一的直流电源给系统供电，而是对系统中不同设备、不同电路板、甚至对同一电路板上不同的电路采用不同的电源供电。系统中低频电路和高频电路，小电流负载和大负载供电线路完全分离。特别在低电压大电流负载时，采用较高电压传输到负载附近再用DC—DC变换模块降压供给负载。系统中各电路的电源相对独立，减少了大电流传输线路，使系统的总效率有一定的提高，并且对可靠性和电磁兼容性问题也比较容易解决。

一、分布式电源系统结构

分布式电源系统可分为交流分布和直流分布两种基本结构。每一种结构都可以采用不同的变换模块在深度和广度两个方面扩展，当然两种结构也可以互相渗透。

(一)交流分布式电源系统

交流分布式电源系统由多个AC—DC变换模块组成，每一块电路板或一个装置拥有一个AC—DC变换模块，典型结构如图9—30所示。这种结构比较昂贵，因为每一个AC—DC变换模块都需具有整流滤波及抑制电磁干扰电路，也意味着交流电源线围绕整个系统，增加了电磁干扰敏感程度和安全问题。然而，在某些情况下这种结构可能是正确的方案。例如，某电信设备制造厂利用这种结构给某栋楼房中的电信设备供电。每层楼使用一个AC—DC模块，配电结构如图9—31所示。这种结构也应用于某电脑生产厂家的文件服务器中，如图9—32所示。图中CPU板和每一个磁盘驱动器都使用一个AC—DC模块电源。

(二)直流分布式电源系统

直流分布式电源系统是应用最广泛的一种结构。它一般包含一个交流前端AC—DC模块(或者多个前端模块并连，也可使用冗余技术)，前端模块将交流电压变换成24、48V或300V的直流电压，形成直流分布总线。利用直流总线传输到系统中每一个负载板上，由负载板上的DC—DC变换模块再来产生负载需要的直流电压。这种DC—DC变换可能需要多次。例如，某负载板上需要5V和2．1V两种直流电压，5V电压可利用一个DC—DC模块从48V总线获得，2．1V电压用另一个DC—DC模块从5V电压获得比较好。应该注意，在典型的电信设备中，前端模块不一定见到，因为48V直流总线也许从很远的地方传来，或许是由电池提供。直流分布式电源系统典型结构如图9—33所示。

直流分布式电源系统可根据系统的实际需要，采用如图9—34所示的三种分布方式之一。图9—34a采用按层分布方式，系统中的每一层设置一组DC—DC模块，为该层所有逻辑电路板或外围设备供电。图9—34b采用按功能分布方式，系统中每一种功能部件采用一组DC—DC模块供电。图9—34c采用单板分布方式。系统中每一个逻辑板或磁盘驱动器都由自己的DC—DC模块提供合适的电压、电流。例如，前面提到的文件服务器采用交流分布式电源系统，其实也可以采用直流分布式方案。下面我们给两种不同规模的文件服务器采用单板分布方案设计电源系统。中规模文件服务器包含一个CPU板和28个磁盘驱动器，分4层安装(每层7个驱动器)，电源总功率小于750W；高端文件服务器包含一个CPU板和56个磁盘驱动器，分8层安装，电源总功率小于1500W。两种文件服务器可采用相同类型的模块电源和同一方式的电源系统，只是模块电源的数量不同而已，因此，可节省相当大的开发时间和论证费用。首先需要750W的交流前端AC—DC模块将交流电源变换成48V直流电源。为了提高可靠性采用N+1冗余方案，中规模文件服务器前端模块需要1+1冗余，高端文件服务器前端模块需要2+1冗余。其次，给CPU板和每一个磁盘驱动器配置一个30W双路输出DC—DC模块就可以了。当然，对系统中每一个磁盘驱动器也可以使用N+1冗余方案，由于成本太高，如非特别需要一般不用。

二、分布式电源系统特点

(一)分布式电源系统的主要优点

(1)安全可靠性高 由于各部分电源相对比较独立，采用冗余技术或备用电池比较方便，局部电源功率较小，散热及安全保护措施也容易实现，部分电源出现故障不大会影响整个系统正常运行。

(2)适应性强 由于将整个电源系统化整为零，各部分电源选择比较灵活，容易实现最佳配置。而且，同一设计方案，稍加修改可用于其他系统。更突出的是，如果在系统设计后期需要修改方案，也只是局部修改，不必重新设计整个系统，使系统重构容易并且减少许多浪费。

(3)系统效率高，输出电压稳定性好 由于减少了低电压、大电流直流输出线路，线路损耗低，系统效率必然提高。各个负载所需要的电源就地产生，负载与电源距离近，减少了线路阻抗对调整性能的影响，也减少了干扰信号对负载的影响，因而输出电压稳定性较好。

(4)电磁兼容性能优越 由于电源比较分散，抑制电磁干扰的方案比较容易实现。例如，大电流与小电流负载隔离，大电流波动不会影响小电流电源，并且可利用系统的控制功能，使几个功率较大的负载分时启动，减少系统大电流的冲击。

(二)分布式电源系统的缺点

尽管分布式电源系统有上述诸多优点，仍然有它的不足之处：

(1)系统设计比较繁琐 分布式系统需要多级变换，前级与后级之间电压、电流匹配，同一级各变换模块之间电流均衡等都要仔细核算。随着系统变换级的增多，电源系统管理任务增大。例如，电源时序管理、故障检测等。

(2)材料费用高因为每一个转换级都是一个完整的变换模块，电源系统的材料费用必然会高些。但是从整个系统整体费用来看，分布式电源也许比集中式电源要便宜得多。例如，从维修费用去看，集中式电源比分布式电源要高。因为集中式电源发生故障时，整个电源都要更换，而分布式电源只要更换部分模块；集中式电源发生故障时，整个系统要停机，分布式电源需要停机可能性小，停机损失费用集中式电源要高些；另外，集中式电源一般平均无故障时间(MTBF)为100000h，而高密度模块电源一般为1000000h，显然集中式电源附加维修费用高。

三、分布式电源设计注意事项

(1)尽量减少电源种类 电源系统设计时，首先要满足电子系统对电源的各种功能和技术条件的要求；其次要考虑电源系统的管理和维护方便，尽量合并性能相近的电源。

(2)尽量减少功率变换模块输入电压与输出电压之间的压差 减少功率变换模块的压差，不仅会提高电源的效率，也会减少电源的造价。例如，开关型变换器中的压差减少将会降低对电源中各种元器件的要求，电源的造价必然会减少。对线性模块来说，减少压差必然会使调整元器件的功耗降低，从而提高电源效率。

(3)要留有一定的余量 所谓余量实际上就是降额使用。现代电子系统中，数字电路占有很大的份额，而数字电路中的电压电流都是脉冲波形，虽然平均功率不是很大，但瞬时功率的数值很可观，没有功率余量的电源很可能使整个电子系统崩溃。

(4)尽量采用按功能分布式方案 根据电子系统中的各种功能部件分别设计稳压电路。例如，数字电路、模拟电路、大功率输出电路应采取分别供电的方式，尽量减少这些电源之间的相互影响。

(5)尽量减少负载与电源之间的距离负载与电源之间的距离缩短，一方面可以降低电源系统的造价，另一方面可提高电源系统的抗干扰度和可靠性。

SECTION 7: 模块电源设计

模块电源设计时，不仅要选择正确的输入、合理的输出、适当的负载电流，而且要考虑如何避免系统产生振荡、出现各种干扰使电源的调整性能变差、噪声增大，以及发生接地回路故障、散热能力不够等问题。下面介绍针对这些问题的一些处理措施。

一、改善负载效应

负载效应表征了负载变化对电源输出电压的影响程度。电源与负载之间的导线电阻和接点上的接触电阻越小，对负载效应的影响越小。当负载电流较大时，很小的导线电阻和接触电阻也会对负载效应有明显的影响，因而很多大电流电源在内部调整电路的采样网络上设置一对引出端称之为遥测端。利用遥测端可直接检测负载两端的电压，减小导线电阻对负载效应的影响。

(1)尽量减少导线电阻及接触电阻电源最简单的应用如图9一19所示。图中电源输出电压为5V，负载电流为4A。使用这种电源时，除了要选择所需要输出的电流及所需要的负载效应值外，应尽量减少电源与负载之间的导线电阻。例如，图9—19中使用50cm长的18号铜线，两根导线共有21mΩ电阻，因此，导线上就有84mV电压降，占输出电压的1．68％。如果电源本身负载效应值为0．1％，则在此电路中实际负载效应值为1．78％，达不到指标要求值。解决这种问题的方法是尽可能缩短导线长度或选择较粗的导线。影响负载效应的另一个重要因素是电源端与负载连接处的接触电阻，特别在大电流时更要注意。与上述负载导线过长一样，这些连接可存在几毫欧的接触电阻和几个百分点的负载效应值的变化。应记住一些重要参考数值：一个5V输出，从空载到满载有5mV变化，则负载效应为0．1％，一个12V输出，从空载到满载有2．4mV变化，则负载效应为0．02％。显然，大电流接点应适当处理与焊接。铲式接线片、香蕉插头等必须精心进行除锈处理。平面型电路板应为大电流负载提供几个并行接点，并保证干净。

(2)正确利用电源的遥测端许多大电流电源都有遥测端(+S、-S)。遥测端可使电源内部调整电路通过检测线与负载相连，从而补偿大电流线路压降对负载效应值的影响。图9—20示出了电源遥测端与负载的正确连接方法。图中检测线与大电流负载线分离，遥测端直接检测负载两端电压。假如，大电流负载线上有0．5V压降，通过遥测端，电源内部调整电路将输出电压提高0．5V补偿线路压降，保证负载电压在额定值上。一般电源可对负载线路压降补偿1．0V左右。这种方法就是利用提高电源输出端电压来维持负载两端有准确的电压值。遥测端与负载的连接线应屏蔽，以避免电磁干扰影响电源内部的调整电路。在电源内部，遥测端与电源输出端之间通常有一只电阻(见图9—20)，如遥测端由于粗心而没有连接到负载端上，这只电阻可防止输出端电压上升过高。如果遥测端不用，应该分别与电源正、负端短接，这时电源工作在本地检测方式。

二、电源与各种负载连接方法

(1)直接并行接法电源与各种负载的正确连接是电源应用中的一个重要环节。图9—21是电源与几个负载并行连接的接线方法。图中，每一个负载上的电压与其他负载电压的大小和电源接地点有关。如果负载电流较大，在输电线路上的压降将会增大，使远离电源输出端的负载电压达不到要求，并且负载的变化将使输出电压的稳定性变差。除了负载电流很小，线路压降可以忽略外，这种连接方式不能使用。

(2)放射形接法图9—22给出一种放射形的连接方法，这是一种比较好的接法。用一对粗导线将电源引出，每一个负载分别与它在同一点上相连接，各个负载之间基本上不存在相互影响的问题。

(3)混合连接法当然，完全放射式连接是不现实的。但是应该尽量使用这种方式，特别对大电流负载更应如此。图9—23给出一种放射与并联组合连接方式。图中第一组负载电流较大，采用放射形连接，并且靠近电源输出端，第二组负载电流较小，线路压降可以忽略，采用直接并联方式，也可以离电源输出端远一些。

(4)模拟和数字电路图9—24电路中模拟和数字电路同时存在。为了避免数字电路在电源地线上产生的噪声影响低电平模拟信号，因此，模拟电路和数字电路分别单独供电。两种电源地线和信号地线实现了单点接地互不干扰的格局。实际上，许多三输出端电源都有独立的数字(5V)和模拟输出(±12V或±15V)公共端，正好满足图9—24的意图。

三、去耦与旁路

所有的电源都有一些输出电阻和电感，电源引线也是如此。负载端的高频交流分量将会在电源的输出电阻和电感中产生压降而干扰其他电路，因而高速模拟电路和数字电路需要加上适当的去耦电路。图9—25所示的负载去耦电路适合于减小线路串联阻抗与杂散电容的谐振效应，同时也减小负载电流迅速变化在串联电抗中产生的尖峰对电子线路的影响。图9—25中给负载并联0．1μF陶瓷电容和1μF电解电容对中频和高频干扰起到旁路作用，它将防止多个负载之间的串音。模拟电路和数字电路应该有各自的旁路电容。电容器不能简单地从每个电源端接到附近地线上。图9—26中旁路电容直接从电路中电源输入端连接到负载的公共端(或地)。电容器的连接最好用最短的导线。

四、提高模块电源可靠性

热是电源的第一杀手，要使电源具有高可靠性，其中最重要的一点就是保持元器件的温度低。实质上就是要尽可能地将电源内部的热量散发出来，使电源系统工作在额定温度之下。要提高模块电源的可靠性，可以采用以下几种方法。

(1)提高电源系统的效率对于电源系统而言

上述方程给出一个电源的温度限制范围。图9—28给出了一个典型的电源变换器的外壳温升与效率的关系曲线。图中曲线对应一个输出功率为5w的密封型模块电源，模块的标准尺寸是9cm×3．8cm×3．2cm，环境温度为25℃。

从图9—28中可以看出，当效率从75％降到25％时，壳温升从7℃升到55℃。加上环境温度(25％)，外壳实际温度相应地从32℃上升到80℃。这说明效率在热设计中起重要作用。

(2)降额使用元器件的降额使用是可靠性设计中必须采用的设计技术之一。所谓降额使用，即使元器件应用在低于额定值的应力(如热应力、电应力)状态。之所以必须，是因为电子元器件的可靠性与其承受的应力强度之间有一定的依赖关系。应力越大，可靠性越低。另外，元器件手册中规定的性能特性参数往往是以标准的特定环境应力为基础的标称值，实际使用场合的工作环境条件经常超过上述环境应力条件。因此只有将元器件降额到足以补偿所增加的环境应力时，才能达到可靠性指标的要求。若元器件的工作环境条件与标准的特定应力环境条件相同，考虑到元器件的性能参数都呈现某种非线性分布，也应采用降额设计技术以获得较大的安全余量。

我国原电子工业部颁布的《电子设备可靠性预测手册》中给出了电子元器件降额使用方法。对于不同的元器件，降额的方法是不一样的，电阻的降额方法是降低功率比，电容的降额方法是降低其工作电压，半导体器件的降额方法是将功耗保持在额定功耗之内，数字集成电路通过周围环境温度和电负荷来降额。线性集成电路、大规模集成电路和半导体存储器也是通过降低周围环境温度来实行降额的。

(3)采取合理的散热措施有关散热片设计见第十章。

综上所述，提高电源效率、降额使用、加装散热器、强迫风冷都是为了提高电源系统的可靠性所常用的一些方法。这些方法对模块电源输出功率额定值的影响如图9—29所示。如果在正常情况下，降额曲线从50～70℃，那么增加一些其他的措施后将会使降额曲线右移，也就是说，不降额的温度范围会宽一些。

SECTION 8: 集成开关电源设计1

一、 参数计算

肖特基整流二极管是低功耗、大电流、超高速半导体整流器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0．4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。但肖特基二极管的反向峰值电压较低(一般不超过100V)，适用于低压、大电流整流或续流。肖特基整流管的伏安特性如图9一14所示。

SECTION 9: 集成开关电源设计2

20A以下的快恢复及超快恢复二极管、肖特基二极管大多采用T0—220封装，外形及其等效电路如图9—15所示。根据内部结构，可分成单管、对管(也称双管)两种。对管的内部包含两只管子，按照两只二极管接法的不同，又有共阴对管、共阳对管之分。表9—5列出三种整流管典型产品的性能比较，它们均采用T0—220封装。几十安培的管子一般采用T0—3P金属壳封装。几百至几千安培的管子则采用螺栓型或平板型封装。

在选择管子的参数时必须留出一定的余量，换言之，所有器件应当作降额使用。一般留出大约一倍的余量为宜，余量过大会造成浪费。例如，选择20A／80V的管子可在10A、40V的条件下长期可靠地工作。

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