開關電源電路的熱設計流程
1)分析電源電路的布局結構，確定主要發熱單元;根據電路理論中的相關公式，求得各發熱單元的理論損耗值。
2)分析電源電路對應的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據熱設計理論，計算各個元器件的熱阻值;根據熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場分布特性，解出各節點的溫度值;根據熱路模型與電氣模型的對應關系，確立電氣模型。
3)建立該電路的3D熱模型。利用專業熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等)，根據流體力學和數值傳熱學原理，采用有限元體積法，對建立的模型進行數值計算﹔根據計算結果，得出最佳方案。
4）模型或樣機試驗分析。通過對模型或樣機測試測量，檢驗理論計算與試驗結果的偏差程度。
5)除了熱設計，還應考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協同設計。
開關電源熱設計模型的相關參數
下面以功率開關管為例，介紹熱設計的相關參數，如圖1所示。結點處的溫度最高，熱量將根據熱平衡原理，從圖1的左邊流動到右邊，最后到達通風的自然環境。使用熱導體，將熱量傳導到較遠的熱交換器。傳導率Q通過傅里葉定律確定:
式中，Q為熱流(J/s(W));Td是熱導體兩端的溫差(℃);A是截面積;L為導體長度;R。是熱阻。
上述定律只能用于一般的固熱導體。如果采用散熱管散熱，它的散熱機理屬于內部冷卻劑的氣化潛伏熱，內部熱阻是非線性的，上面等式就失效了。
各接觸面的溫度(即熱源)可根據熱轉移路徑上的熱流和熱阻建立熱平衡方程求得。其表達式為:
由(4)式可知，熱交換器的溫度可以通過測溫設備(簡易的如熱電偶)測量得到，并且已知熱阻大小(可通過廠商的數據手冊獲得)，即可計算出熱流和結點處的損耗。
實例分析
下面以一個實際的開關電源為例，介紹如何利用Ansoft軟件進行熱仿真。該開關電源電路的電氣參數列于表1。
仿真的主要參數
1)環境參數:電路外部環境溫度為22℃，空氣之間的對流系數為10W/m2·K，指數(FEXP)為0.1，輻射系數(radioemissivity)為0.05，輻射參考溫度為22℃。系統求解域定義為電路外殼體積的2倍。
2主要尺寸參數:電路外殼尺寸為200mm×70mm×30mm。
3)功耗參數:本例電源系統的主要發熱元件共有16個，電路中主要發熱器件各接觸面的損耗可由(4)式求得，其中變壓器的損耗可分別由文獻[3]中的銅損及鐵損的計算公式分別求得。本例中將計算得到的各個主要發熱元器件的功率損耗值，按照參數類型歸類整理，如表2所示。
材料參數:該電路中涉及的材料包括鋁合金、銅、塑料和電路基板材料-FR4。表3為元器件材料的主要參數。
仿真結果
根據主要發熱元器件的損耗計算公式，得到各損耗值，將其導入仿真軟件;利用Ansoft仿真軟件的內部求解器獲得實際電路的3D發熱模型，如圖2所示。從圖中可以清晰地看到電路內部及各個元器件上的熱量分布情況。根據仿真結果(圖2)可知，功率MOSFET上的熱量和變壓器的熱量最高(紅色部分)，這與從電路理論上分析求得的這兩種器件的功耗(見表2)相吻合。
總結
熱設計是提高電源產品的質量和可靠性的重要手段，正日益受到電源業界的重視。本文從介紹電路內部主要發熱部件的發熱機理入手，簡單介紹了熱設計的一般設計流程;結合實際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內部的溫度場分布特性。該仿真結果為電路的初期熱設計或者后期散熱性能的進一步改進提供了依據，可為熱設計提供指導，推動設計進程，提高工作效率。
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