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摘要：本文首先阐述了设计原理，接着分析了高频大功率开关电源的热设计，最后对高频大功率开关电源的应用趋势进行了探讨。
关键词：热设计;高频大功率开关电源
引言：
随着高频大功率开关电源功率密度的不断提高,合理的热设计是保证电源可靠工作的前提条件。在众多的电子设备故障中高温是最重要的因素之一,目前芯片集成化密度越来越高,功率也越来越大,芯片发热量大导致的温升严重影响了设备的稳定工作以及性能提升,要保证电子设备长期可靠运行其热设计一直是我们研究的重要课题。在高频大功率开关电源的设计中也同样面临着功率不断增大体积不断减小的趋势,在保证设备功能的同时须充分考虑电路工作的稳定性、工作环境、使用寿命等因素,这些因素都直接或间接的与电路温升有密切的关系,所以有必要对高频大功率开关电源中的热设计进行分析研究。
1设计原理
由于高频大功率开关电源设备是个整体，得从设备整体角度来考虑其散热设计。整机内热循环路线应合理，如须风冷整个机箱内风路的设计，进风口、出风口、风扇安装位置等都应该综合考虑。电路板上器件的位置在设计时就应根据其散热特点科学排布，自然空气对流散热的器件（芯片、功率器件等）应该按纵长方式排列，强制散热的器件（芯片、功率器件等）就应该按横长方式排列；安装在一块电路板上的器件应尽量按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件应放置在冷空气气流的上端，发热量大或耐热性好的器件宜放置在冷空气气流下端；沿水平方向上安装的发热器件应该安装在PCB板边沿尽量缩短热传导的路径，沿垂直方向安装的发热器件应该安装在PCB板上方（垂直安装时），尽量降低发热器件工作时的温升对周边器件的影响，在有多个发热器件时应该在水平上作交错安装避免相互影响；热敏器件应该安装在整机内温度最低的位置，不应该靠近发热大的器件，更不能安装在发热器件的上面；如果由多块电路板组成，电路板宜垂直安装，且两电路板之间间距应该大于2cm。自然散热主要靠设备机箱内空气自然对流带走热量降低温度，空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，设计时要研究空气流动路径，合理配置器件和电路板，避免出现流动路径阻塞或散热死角，安装多块电路板的整机内更加需要注意。
2高频大功率开关电源的热设计分析
2.1电源盒的内部热设计
高频大功率开关电源的电源盒内部热设计主要是调整器件布局和改变内部介质。
1）电路布局的热设计
密封电源盘内热源的主要散热途径有以下几个方面：首先，通过热源经盒内介质向壳体传导的热量，可以通过对流和辐射在壳体的表面将热量发散到大气中；其次，通过盒体内部的介质可以把热量传递到其他部件上，这样就可以形成温度的叠加效应。
所以，在设计过程中，在考虑不影响电路性能的情况下，应该使得发热部件尽可能分散，且在电路板边缘分布，另外，固定在电源盒的导热铝板应该与其相连。电路板的后边缘则应该放置前后级MOSFET和整流桥，与电源盒的侧壁相连靠的是2mm的导热铝板；而电路板的前侧边缘放置后级二极管，同样，电源盒的侧壁相连靠的是同样厚度的导热铝板
表1高频大功率开关电源电路布局调整前后温度对照表/℃
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表1是高频大功率开关电源电路靠局调整前后的温度对照表，通过表1可以得出如下结论：
首先，可以看出前后级的MOSFET、整流桥和后级二极管温度都有明显的降低变化，其主要的原因是因为由于低热阻通路-导热铝板的存在，使得电路布局为这些器件与外壳之间存在这样一种合理的通路，这样就可以使得器件产生的热量传导到电源盒体，从而温度梯度也得以降低。
其次，对于变压器来说，温度变化很小。通过内部空气传导到电源盒的变压器的热量，在加上空气的热阻很大的原因，这样可以认为在密闭条件较好的情况下的绝热状态。同时，最高结点温度和环境温度梯度也很大，这样来说对于变压器温度没有明显的降低。
变压器的温度变化很小。这是因为变压器的热量主要通过内部空气传导到电源盒，而空气的热阻很大，在密闭条件很好的情况下，可以认为处于绝热状态。变压器的最高结点温度与环境的温度梯度很大，导致温度没有明显的降低。所以尽管电路布局的调整改善了高频大功率开关电源的温度分布情况，有些器件的还存在较高的温度梯度，无法满足安全可靠运行的要求。
2）电源盒内部介质的热设计
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根据高频大功率开关电源主要器件温度与内部介质的导热系数的关系曲线可以得出如下的结论：
（1）器件的温度和内部介质导热系数变化成反比，并且基本上所有器件最终趋于同一温度。
（2）变压器的温度曲线存在一定区别，表现在介质导热系数为1.2W/m•K时有一定的上升，这可能是因为变压器的温度低于其他热源的温度，但是需要注意热量具有从温度高的流向温度低物体的规律，这样由于变压器温度相对较低时，当存在其他热源的影响，变压器温度也是可以理解的。
2.2电源盒的外部热设计
电源盒的壁厚和壳体表面肋片的设计构成了电源盒的外部热设计，需要注意，其表面的散热方式为对流和辐射，这样，根据流散热的原理，表面散热面积则是影响散热的主要因素，其中，电源盒的表面散热面积与外壳肋片的高度影响直接相关。
高频大功率开关电源的传导散热主要受到电源盒的壁厚的影响，同时，电源盒表面的对流散热则受到外壳的肋片高度影响。因此，对于多热源的封闭盒体来说，在限定电源盒尺的条件下，外壳的肋片高度对于散热的影响一般大于壁厚的影响，所以对于封闭盒体来说，主要的散热形式为表面的对流散热，这样能有效的散发热量，降低盒体内部器件的结点温度。
所以根据上述结果分析可知，对于电源热设计中需要采用内部灌胶，而对于主要发热器件来说则需要通过导热铝板与电源盒外壳相连，同时采取电源盒外壳加肋片的综合散热措施，这样可以有效控制高频大功率开关电源温度，达到预定目标，从而满足设计要求。
3高频大功率开关电源的应用趋势
要求电镀工艺将人为因素影响消除并且降低过程能量损耗，从而对电源智能化提出了较高的需求。从节能和提高工艺质量方面分析，电镀中除了电源装置损耗，工艺过程能耗也占据了大部分内容，其对工艺过程能耗的主要影响因素为电流效率及槽压，通过检测电解液温度、浓度等参数，合理调整电源电流电压输出，以此实现节能增效及提高工艺质量的目的。从控制方面分析，电镀工艺电镀能源能量转换为非线性的时变系统，无法创建标准的模型实现控制。智能控制能够不依赖人，通过人的操作知识、经验，从而进行相应的控制，从而有效提高电镀电源工艺质量及性能。所以在电镀技术不断发展过程中，要开发满足不通过工艺需求的智能化电源设备，从而满足现代社会全新技术的发展需求。
结束语：
本文开共电源因其工作环境的要求，限制了散热措施的选择。在只能采取自然散热措施，且功耗很大，电源盒的尺寸和重量受到严格限制的条件下，分别对电路板和电源盒的结构进行了热设计，寻找一种有效的散热措施，降低了主要器件的温度，提高高频大功率开关电源的可靠性，延长了寿命。
参考文献：
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