如何為電源降溫？

由于沒有任何電氣系統(tǒng)是100%高效的，因此我們必須應(yīng)對電源運行中不可避免產(chǎn)生的熱量。設(shè)計團(tuán)隊需評估將產(chǎn)生多少熱、可接受的最高溫度是多少，以及最合適的散熱方式。然而，這不僅是一個電氣工程問題。散熱設(shè)計需要整個團(tuán)隊的協(xié)同配合，以兼顧機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計方面的要求，例如尺寸與重量。

被動散熱

電子系統(tǒng)中的散熱方式主要有兩種：被動散熱和主動散熱。被動散熱完全依靠物理自然規(guī)律，將產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)并散發(fā)到環(huán)境中。

所選電源產(chǎn)品的技術(shù)資料通常會提供溫度限制、安裝方式和散熱要求等相關(guān)指導(dǎo)。以 Traco Power 的 TBLC 90系列為例：這是一款90瓦 DIN 導(dǎo)軌安裝的產(chǎn)品，采用自然對流散熱。該電源的工作溫度范圍為–20°C 至 +70°C，然而在超過 +55°C 的環(huán)境下，輸出功率需按每升高1K 降低2.5%進(jìn)行降額使用。

根據(jù)規(guī)格說明，該產(chǎn)品要求周圍具備20LFM（線性英尺/分鐘）的自然對流通風(fēng)。此外，安裝指南中明確了安裝方向，指出氣流應(yīng)自下而上（見圖1）。

散熱的數(shù)學(xué)原理

電源中的一些元器件，例如功率 MOSFET，通常在其封裝中集成了較厚實的金屬散熱片（見圖 2）。硅芯片被安裝在該金屬部分上，熱量便通過這一結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)出去。然而，僅憑封裝本身所能處理的熱量是有限的。

為了確定這個極限，需要查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，并關(guān)注“結(jié)-環(huán)境熱阻”（RθJA）這一參數(shù)。該值表示硅芯片每耗散1瓦功率時所導(dǎo)致的溫升（單位為攝氏度）。

同時還應(yīng)考慮系統(tǒng)所在環(huán)境的溫度。例如即使在辦公室或家用環(huán)境中，電源設(shè)備也可能因陽光直射而在某些時段達(dá)到30°C 以上。這種溫升可能會使半導(dǎo)體器件的工作溫度超出規(guī)格限制。

假設(shè)芯片的最高結(jié)溫 （TJmax ）為150°C，環(huán)境溫度（ TA ）為30°C，那么可用的溫升裕度為120°C。若 RθJA 值為23.9°C/W，則在不添加額外散熱器的情況下，器件最多只能安全耗散約5W 功率，其計算公式為：
(TJmax – TA) ÷ RθJA = 120 ÷ 23.9 ≈ 5 W

需要明確的是，功率器件的金屬片或焊塊并不是最終的散熱解決方案。它們的作用是將熱量傳導(dǎo)到更大的熱容體上，比如外部散熱器、金屬外殼，或電路板中集成的金屬散熱層。

請持續(xù)關(guān)注第二部分內(nèi)容，深入了解更多散熱設(shè)計細(xì)節(jié)。

文章作者：Simeon Tremp，產(chǎn)品經(jīng)理