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开关电源热设计有限元仿真分析


开关电源热设计有限元仿真分析 摘要 热设计是开关电源可靠性设计的重要环节。本文针对开关电源芯片的 温度过高和多热源之间的相互影响导致电源可靠性下降的问题, 基于有限元软件 ANSYS 对整个开关电源进行热分析,得到了稳态温度分布云图,进而通过电路 布局改进,散热器参数设计,整体结构设计等几个方面进行优化设计,降低了开 关电源的芯片温度, 改善了整个开关电源的温度分布情况,提高了开关电源的可 靠性,延长了寿命,具有较强的理论价值和工程应用意义。 关键词 开关电源;热分析;ANSYS;热设计 0 引言 开关电源被广泛的应用于国防军事,工业自动化,家用电气等领域的电子系 统中。随着开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度发展,用户对开关电源 的可靠性设计提出了更高的要求。温升是影响开关电源可靠性的关键性因素,如 何将热量高效快速的导出,成为电源工程师的首要任务 [1]。热设计的好坏直接 影响着开关电源的可靠性和寿命,因而热设计是开关电源可靠性设计的重要环 节。 本文以一个工作于密闭电源盒的开关电源为例,利用有限元软件 ANSYS 对 开关电源进行热设计, 来提高整个开关电源的散热性能,使得开关电源的主要发 热器件的温度控制在允许的范围内,保证开关电源安全可靠的运行。 1 开关电源的热分析 本文中开关电源为反激式,具有有源功率因数校正 (APFC)环节,主要发热 元件有开关管,整流二极管,大功率电阻,变压器与电感等[2]。 首先利用 ANSYS 分析工作在空气中开关电源的温度分布情况。 1.1 仿真边界条件和载荷说明 1)环境温度:25℃; 2)对流系数:6W/m· K; 3)载荷:器件的生热率(P 为器件的发热功率,V 是器件等效热源的体积) 。 1.2 模型的简化处理 1)对于简化线圈模型来说,由于线圈在实际中是由一圈一圈的漆包线绕制 的, 而且这样的绕线也不规则, 在模型建立中使用单一圆柱体来代替多圈的导体; 2)芯片热源等效为长方体。 1.3 网格模型 模 型 中 有 些 部 分 的 尺 寸 微 小 , 如 MOSFET 的 等 效 热 源 , 尺 寸 为 13.8× 8× 0.2mm3。选用 ANSYS 软件中的 SOLIDTO 单元.通过设置 MSHKEY 和 MSHAPE 两个选项,完成对单元形状的控制。在建立网格处理不规则体的时候, 特别是连接处理后的非六面体的情况,采用退化的四面体单元进行网格划分,可 以通过设定 ESIZE,LESIZE 的大小来决定单元网格的大小,则模型网格单元数 目为 324532。 1.4 仿真结果分析 表 1 中是工作在空气中开关电源的温度分布情况。 利用红外热像仪测得的温 度,与仿真的温度值对照,相对误差较小,具有很好的准确性。实际上,此开关 电源工作在一个封闭的电源盒内,内部的空气流动速度很慢,在理想状态下,认 为内部空气处于绝热状态,几乎不导热。因而各器件的实际工作时温度会更高。 因此。为保证开关电源安全可靠的运行。必须采取有效的散热措施,迅速的将电 源盘内部的热量导出,降低主要热源的温度。 2 开关电源的热设计分析 如何寻找低热阻通路来将热最迅速导出是设计开关电源热设计的关键问题, 因为只有开关电源器件的结点温度降低后, 这样才能避免高温而导致开关电源可 靠性下降的问题。此开关电源工作在一个封闭的电源盘内,由于工作环境特殊, 不允许加风扇, 只能采取自然散热的措施。其热设计的内容包括电源盘的内部热 设汁和电源盘的外部热设计。 通过设计将开关电源的前后级 MOSFET,后级二级管,整流桥的温度控制 在

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