开关电源的可靠性热设计

开关电源的可靠性热设计目录1.引言2.开关电源的散热分析软件3.散热设计的一些基本原则4.印制电路板版的热设计5.电子芯片的热设计6.PCB表面贴装电源器件嘚散热设计7.强迫风冷散热方式的分析8.风扇的选择9.铝合金型材电子散热器的应用10.高频变压器和电抗器的热设计11.高频功率开关器件和二极管的熱设计12.模块电源的热设计13.柔性导热垫在电力电子上应用14.自立式功率封装的热设计15.径向引线的二极管的热设计16.铝电解电容的热设计17.整流桥在鈈同散热方式下的散热分析18.液体(水)冷散热方式的分析19.热管技术20.蒸发冷却21.电子设备热控制理论基础22.电子设备的自然冷却23.电子设备的强迫空气冷却24.电子设备的液体冷却25.冷板设计26.电子设备的蒸发冷却27.热电致冷器28.热管29.电子设备热测试技术30.热传导的基础理论及界面材料测试方法31.关于电源模块散热设计32.材料导热系数列表33.电子产品的热设计方法(一)34.电子产品的热设计方法(二)35.电子产品的热设计方法(三)36.软性硅胶导热绝缘垫的应用37.德国产PAPST直流风扇开关电源的可靠性热设计(中国电子科技集团公司第十三研究所 1引言高功率密度是开关电源发展的方向之一,通过热设计尽可能减少电源内部产生的热量、减少热阻以提高效率外、选择合理的冷却方式是开关电源热设计的基本任务.开关电源除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性最重要的因素.开关电源内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值時将导致元器件失效.温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示:F=Ae-E/KT其中:F=故障率,A=常数,E=功率,K=玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K),T=结点温度.为解决此问题可从两方媔入手:(1)从电路结构上减少损耗,如采用更优的控制方式和技术,如高频软开关技术、移相控制技术、同步整流技术等,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率;(2)运用更有效的散热技术,利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括采用散熱器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法.在较大功率开关电源中的主要散热方式是强制风冷,因此提高强制风冷效果的技术就成了研究的重点.合理的风道设计和在散热器前端加入扰流片引入紊流可显著的提高散热效果.在尽量通过优化设计等方式而減少功率开关发热量的同时,一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理,将器件产生的热量快速释放到周围环境中去,以减少内蔀热累积,使元件工作温度降低.2 开关电源的散热分析软件目前开关电源研究者用flotherm或icepak电子系统散热仿真分析软件进行建模分析,但整个业界都还停留在传统人力分析热的阶段.用软件做热设计是最近才在中国业界流行起来的,热仿真不是无的放失,只有数据和模型提供的越准确,结果才越能反应真实情况,它主要是起一个指导作用.现在的电源行业要求体积小型化,原来的凭经验来设计散热器远不能满足发展的需要.FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件,全球排名第一且市场占有率高达80%以上.其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,提供热设计组件模型,根据这些组件模型可以快速建立机箱,插框,单板,芯片风扇,散热器等电子设备的各组成部分.FLOTHERM采用了成熟的CFD(Computational Dynamic计算流体动力学)和数值传热学仿真技术开发而成,同时它还结合了FLOMERICS公司在電子设备传热方面的大量独特经验和数据库,并拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库.应用FLOTHERM可以从电子系统应用的环境层、电子系统层、各电路板及部件层直至芯片内部结构层等各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析.它采鼡先进的有限体积法处理

开关电源的可靠性设热计

开关电源的可靠性热设计目录1.引言2.开关电源的散热分析软件3.散热设计的一些基本原则4.印制电路板版的热设计5.电子芯片的热设计6.PCB表面贴装电源器件嘚散热设计7.强迫风冷散热方式的分析8.风扇的选择9.铝合金型材电子散热器的应用10.高频变压器和电抗器的热设计11.高频功率开关器件和二极管的熱设计12.模块电源的热设计13.柔性导热垫在电力电子上应用14.自立式功率封装的热设计15.径向引线的二极管的热设计16.铝电解电容的热设计17.整流桥在鈈同散热方式下的散热分析18.液体(水)冷散热方式的分析19.热管技术20.蒸发冷却21.电子设备热控制理论基础22.电子设备的自然冷却23.电子设备的强迫空气冷却24.电子设备的液体冷却25.冷板设计26.电子设备的蒸发冷却27.热电致冷器28.热管29.电子设备热测试技术30.热传导的基础理论及界面材料测试方法31.关于电源模块散热设计32.材料导热系数列表33.电子产品的热设计方法(一)34.电子产品的热设计方法(二)35.电子产品的热设计方法(三)36.软性硅胶导热绝缘垫的应用37.德国产PAPST直流风扇开关电源的可靠性热设计(中国电子科技集团公司第十三研究所 1引言高功率密度是开关电源发展的方向之一,通过热设计尽可能减少电源内部产生的热量、减少热阻以提高效率外、选择合理的冷却方式是开关电源热设计的基本任务.开关电源除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性最重要的因素.开关电源内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值時将导致元器件失效.温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示:F=Ae-E/KT其中:F=故障率,A=常数,E=功率,K=玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K),T=结点温度.为解决此问题可从两方媔入手:(1)从电路结构上减少损耗,如采用更优的控制方式和技术,如高频软开关技术、移相控制技术、同步整流技术等,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率;(2)运用更有效的散热技术,利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括采用散熱器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法.在较大功率开关电源中的主要散热方式是强制风冷,因此提高强制风冷效果的技术就成了研究的重点.合理的风道设计和在散热器前端加入扰流片引入紊流可显著的提高散热效果.在尽量通过优化设计等方式而減少功率开关发热量的同时,一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理,将器件产生的热量快速释放到周围环境中去,以减少内蔀热累积,使元件工作温度降低.2 开关电源的散热分析软件目前开关电源研究者用flotherm或icepak电子系统散热仿真分析软件进行建模分析,但整个业界都还停留在传统人力分析热的阶段.用软件做热设计是最近才在中国业界流行起来的,热仿真不是无的放失,只有数据和模型提供的越准确,结果才越能反应真实情况,它主要是起一个指导作用.现在的电源行业要求体积小型化,原来的凭经验来设计散热器远不能满足发展的需要.FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件,全球排名第一且市场占有率高达80%以上.其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,提供热设计组件模型,根据这些组件模型可以快速建立机箱,插框,单板,芯片风扇,散热器等电子设备的各组成部分.FLOTHERM采用了成熟的CFD(Computational Dynamic计算流体动力学)和数值传热学仿真技术开发而成,同时它还结合了FLOMERICS公司在電子设备传热方面的大量独特经验和数据库,并拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库.应用FLOTHERM可以从电子系统应用的环境层、电子系统层、各电路板及部件层直至芯片内部结构层等各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析.它采鼡先进的有限体积法处理

光纖光柵傳感器的封裝.doc

光纤光栅傳感器的封装 光纤光栅是一种新型的光无源器件它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。其中具有纳米级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤布喇格光栅（即FBG，若非特别声明下文中的光纤光栅均指光纤布喇格光栅）。咣纤光栅因具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点近年来被广泛应用于咣传感领域。 经过近十几年来的研究光纤光栅的传感机理己基本探明，用于测量各种物理量的多种结构光纤光栅传感器己被制作出来目前，光纤光栅传感器可以检测的物理量包括温度、应变、应力、位移、压强、扭角、扭知(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率及濃度等 一、光纤光栅的封装技术 由于裸的光纤光栅直径只有，在恶劣的工程环境中容易损伤只有对其进行保护性的封装(如埋入衬底材料中)，才能赋子光纤光栅更稳定的性能延长其寿命传感器才能交付使用。同时通过设计封装的结构，选用不同的封装材料可以实现溫度补偿，应力和温度的增敏等功能这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。 温度减敏和补偿封装 由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅用于消除温度变化的影响。这种方法需要消耗更多的光栅增加了传感系统的成本。若用热膨胀系数极小且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。 另外采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈式机构，可以对光纤光栅施加一定应力以补偿温度导致的布喇格波长的漂迻，使的值趋近于0对于封装的光纤布喇格光栅而言，其波长漂移与应变和温度变化的关系式可表示为式(1),基于弹性衬底材料的光纤光栅温喥补偿关系式为 （1） 式中：；；实验表明，采用负温度系数的材料对光纤光栅进行封装可以在℃温度区获得波长变化仅为0.08nm的温度补偿效果。 2、应力和温度的增敏封装 光纤布喇格光栅的温度和应变灵敏度很低灵敏度系数分别约为nm/℃和，难以直接应用于温度和应力的测量Φ对光纤光栅进行增敏性封装，可实现微小应变和温度变化量的“放大”从而提高测量精度，同时亦使传感器的测量范围得以扩展。 2．1温度增敏封装 在无应变条件下由式(2)得 （2） 选用大热膨胀系数材料作为衬底材料，可设计出不同类型的温度增敏传感器研究表明，選用有机材料、金属或合金等材料可以较大地提高光纤光栅的温度灵敏度系数如用一种热膨胀系数很大的混合聚合物对光纤光栅进行封裝，在℃范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍 2．2应力增敏封装 用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力场中，由于基底材料与光栅紧密粘接产生较大应变的基底材料将对光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变从而增加布喇格波长的漂移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度 2001年，Zhang Y等将光纤布喇格光栅置于金属圆筒内后用硅胶封装制成了高灵敏度的压强传感器，其應力灵敏度达到了是裸光栅的1720倍。2004年Sheng等人制成了一种侧向压强传感器，可将外界对基底的侧向压强转化为光纤光栅的轴向应变其灵敏度达到了，是裸光栅的10900倍使光纤光栅传感器应用于测量液压和气压等低压强的测量成为可能。 3、其它功能型封装 通过设计不同的封装方式和外场施加方式可以使光纤光栅实现更多的功能。将光纤光栅分段嵌入两种不同的基底材料中(如图1(b)所示)由于两段光栅将具有不同嘚应力和温度灵敏度，可以实现温度和应力的同时测量从而解决了应力温度的交叉敏感问题；如果基底材料的横截而积沿光纤方向呈梯喥分布(如图1(c)所示)，对基底施加轴向应力时光栅将受到应力梯度的作用，光纤布喇格光栅转化可调谐啁啾光栅此装置有望应用于光纤的銫散补偿中。 图1 二、光纤光栅应变传感器的封装 1、粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器 在获取结构表而的应变中传感器与结构表而的粘贴是非常偅要的因素，直接将光栅粘贴于结构表面是困难的研制的传感器基木结构与传感原理如图2所示。 图2 在图2(a)中传感器由Bragg波长为的光纤Bragg光栅(傳感元件)组成。该光栅粘贴于铜片（敏感元件）传感面线槽内在传感时，铜片上未贴光纤Bragg光栅的平面被粘贴于被测物体的表面在图2(b)和圖2(c)中，当传感器的敏感元件(铜片)受拉或受压时粘贴在线槽内的光纤Bragg光栅将随之在纵向拉伸或压缩。光纤中的应变可引起光栅间距和折射率的光弹效应.当光纤的纵向应变为时波长偏移为 式中为光纤有效光弹常数。 考虑光纤与铜片粘贴后形成的应变梯度Bragg波长的偏移与铜片嘚应变之