开关电源热设计有限元仿真分析

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1、开关电源热设计有限元仿真分析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，具存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TN86A1674-6708(2011)47-0034-020引言开关电源被广泛的应用于国防军事，工业自

2、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，用户对幵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幵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

3、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分析工作在空气中幵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°C；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13.8X8X0.2

4、mm3o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

5、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幵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60°C以内，变压器的温度

6、低于65°C。2.1电源盒的内部热设计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；

7、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表2是开关电源电路靠局调整前后的温度对照表，通过表2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

8、梯度也很大，这样来说对于