开关电源系统热分析与热测量实验报告

2017-06-19 by:CAE仿真在线来源:互联网

1 实验目的

通过对一个典型的开关电源系统的设计、热分析与热测量,使学生掌握典型电子系统的工作原理、设计方法,学会利用现代热分析软件及热测量手段(红外热像仪、多点测温系统)对电子设备进行热分析与热测量,了解元器件的工作温度要求及环境温度对系统可靠性的影响。

2 实验设备及工具

表 1 实验设备及工具

3 实验原理

3.1 开关电源系统的组成及工作原理

传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源,这种电源技术成熟,有大量的集成化模块,具有稳定性好,输出纹波电压小,使用可靠等优点。但其体积大,重量沉,尤其是效率极低,仅为 45%左右。而开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关元器件,通过控制开关信号的占空比调整输出电压,效率可高达 70%—95%。

开关电源是指通过开关三极管的导通—截止—导通过程,给负载提供能量的一类电源。开关电源主要由取样电路、基准电压电路、误差放大器、三角波发生器(振荡器)、电压比较器、开关功率管、变压器和整流、滤波电路组成。其原理方框图如图 1 所示。

图 1 开关电源原理图

取样电路通过R1 、R2 对输出电压U0 分压得到反馈电压UF,基准电压电路输出稳定的电压VREF,两个信号之差经误差放大器 A1 放大后,作为电压比较器 A2 的阈值电压VP。将三角波发生器的输出 Us 与VP比较,得到开关管的控制信号,驱动开关管工作,开关管输出的矩形脉冲信号经变压、整流和滤波后得到输出电压U0 。当U0 升高时,反馈电压UF随之增大,与基准电压VREF之间的差值减小,因而误差放大器 A1 的输出电压VP减小,经电压比较器 A2 后,开关控制信号的占空比变小,开关管导通时间缩短,引起电容的充电时间缩短,因此输出电压随之减小;反之,当U0 降低时,反馈电压UF随之减小,与基准电压VREF之间的差值增大,因而误差放大器 A1 的输出电压VP增大,经电压比较器 A2 后, 开关控制信号的占空比变大,开关管导通时间增长,引起电容的充电时间增长, 因此输出电压随之变大。因此调节的结果令U0 基本不变。

由以上分析可知,通过调节控制信号的占空比来改变开关管的导通时间TON,从而实现稳压的目的,但是开关管的开关周期 T 保持不变,所以根据以上模式工作的稳压电路被称为脉宽调制型(PWM,Pulse Width Modulation)开关电源。

3.2 开关电源系统的热设计原理

体积小、功耗大是开关电源的一大特征,其完整的热设计包括两方面:如何控制热源的发热量和如何将热源产生的热量散出去。

3.2.1 发热控制设计

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管,高频变压器、滤波电感等磁性元器件以及假负载等。针对每一种发热元器件均有不同的控制发热量的方法。

(1)减少功率开关的发热量。开关管是高频开关电源中发热量较大的器件之一,减少它的发热量,不仅可以提高开关管自身的可靠性,而且也可以降低整机温度,提高整机效率和平均无故障时间(MTBF)。开关管在正常工作时,呈开通、关断两种状态,所产生的损耗可细分成两种临界状态产生的损耗和导通状态产生的损耗。其中导通状态的损耗由开关管本身的通态电阻决定。可以通过选择低通态电阻的开关管来减少这种损耗。

(2)减少高频变压器与滤波电感等磁性元器件的发热。高频开关电源中不可缺少地应用了各种磁性元器件,如滤波器中的扼流圈储能滤波电感,隔离型的电源还有高频变压器。它们在工作中会产生或多或少的铜损、铁损,这些损耗以发热的方式散发出来。这样电感、变压器所产生的损耗成为不可忽视的一部分。因此在设计上要采用多股细漆包线并联缠绕,或采用宽而薄的铜片缠绕,以降低趋肤效应造成的影响。磁芯一般选用高品质铁氧体材质。

(3)减少假负载的发热量假负载在印制板(PCB)上的位置往往与输出用的电解电容靠得很近,而电解电容对温度极为敏感。因此很有必要降低假负载的发热量。比较可行的办法是将假负载设计成阻抗可变方式。当电源处于正常负载的时候,假负载退出消耗电流状态;空载时,假负载消耗电流最大。

3.2.2 散热设计

3.2.2.1热传递三种基本方式

1) 热传导

物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热(或热传导)。例如,物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分,以及温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体都是热传导现象。

2) 对流

对流是指流动的流体(包括气体和液体)与其相接触的固体表面,具有不同温度时所发生的热量转移过程。按流体产生流动的原因不同,可分为自然对流和强迫对流。自然对流是由于流体冷热各部分密度不同或者局部加热造成流体中的温差所致;而强迫对流则是由于外力(风机、水泵等)迫使流体进行流动。

3) 辐射

物质以电磁波的形式向外发射一种带有能量的粒子过程称为辐射。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。当温度高于绝对零度,物体会不断将热能变为辐射能,向外热辐射。同时,物体不断吸收周围物体投射到它上面的热辐射,并把吸收的辐射能转变为热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。

3.2.2.2热设计中冷却方法的选择

电子设备或元器件的冷却方法通常有以下几种:

a. 自然散热

自然散热也称为自然冷却,它是利用设备中各元件及机壳的自然热传导、自然热对流、自然热辐射来达到冷却的目的。自然散热设计的主要任务是对电子设备的结构进行合理的热设计,将设备内部的热量排到设备的外部,使设备工作在允许的温度范围内。

b. 强制风冷散热

强制风冷散热是利用风机进行鼓风或抽风,提高设备内空气流动的速度,来达到散热的目的。其散热形式主要是对流散热,冷却介质是空气,主要适用于中、大功率的电子设备。

c. 液体冷却

液体冷却是利用效率较高的传热介质水和油等来进行热交换,这种冷却方式多用于大功率设备发射管、功率管及某些大功率的分机或单元。冷却方式有直接冷却和间接冷却。设计直接液体冷却系统时,所选择的冷却液粘度要低,以利于冷却液体的流动。冷却液性能稳定,并具有足够的绝缘性能。机壳有足够的强度、密封性好。元器件的排列要利于冷却液的流动,冷却液不要直接冲向电子元器件。

d. 蒸发冷却

蒸发冷却是利用液体在汽化时能吸收大量热量的原理来实现冷却的方法。它是大功率发射机中的发射管的发热部件的主要冷却方法。

e. 半导体制冷

半导体制冷是借助于电子(空穴)在运动中直接传输能量来实现制冷。它由热电堆、冷却板、散热器组成。其优点是无机械传动部分,不需致冷剂,操作维护方便,体积小,重量轻,易实现自动调节,但本身需消耗电能。

f. 热管散热

热管是一种新型高效传热元件,它是一种细长、中空、两头封闭的金属管,管内壁附着一层浸满(饱和状态)工作液体的毛细物体,利用毛细作用来维持工作液体的循环而实现散热。

按照器件(设备)表面散热功率密度或体积发热功率密度,一般冷却方法优选顺序:自然散热、强制风冷、液体冷却、蒸发冷却。在本实验电源系统中,集成稳压器是发热量较大的关键器件,对其采用散热器自然冷却方式散热,以保障安全正常的工作。

3.2.2.2本实验中冷却方法的选择

加散热器;在电路板上加一层冷板(铝板);优化元器件的安装布局。

开关电源热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热。即所有发热元器件均先固定在散热器上,热量通过热传导方式传递给散热器,散热器上的热

量再通过对流换热的方式由空气带走。

3.3 电子设备的热分析

电子设备热设计之后需进行热评估,以判断热设计的合理性和有效性。电子设备的热评估一般有两种方法:热分析和热测量。热分析,又称热模拟,是利用数学手段在电子设备设计阶段获得温度分布的有效方法。

采用 Betasoft 热分析软件进行热分析。应用热分析软件在进行热分析时,要输入诸多参数,如:元器件的几何尺寸,分布状态,导热材料的传热系数,功耗及周围环境条件等等。其中功耗是主要参数,其准确度与否直接影响热分析的精度。电路板中元器件的功耗获取方法有三种:第一种是查芯片参数手册;第二种电路仿真,例如用 Pspice 软件做仿真。第三种实测电路板上器件的相关参数, 计算输入功率和输出功率的差值得到元器件的功耗。

3.4 电子设备的热测量

采用 32 路温度采集系统对电路上的元件进行测量。热测量通常采用两种测量方法:一种是将热传感器直接与被测目标接触进行测量,称作接触法;一种是利用红外、激光等热测量仪器进行测量,称作非接触法,如下图所示。

图 2 温度测量的两种方法

直接接触式测量法将传感器直接安放在被测器件上,这种方法具有精确、直接、可靠的特点,对于封闭机壳内的元器件的热测量都可采用这种方法。但实际测量中,需要许多传感器,进行多点安放,造成引线过多,测量工作繁琐费时,还会引起被测目标热场分布的改变,引起测量的失真。间接法测量,克服了直接法测量的缺点,尤其是对元器件密集的 PCB 板的热测量十分简捷方便,精确可靠,而且能获得连续的二维热场温度分布图像。这类仪器都附有微机接口,通过微机可进行控制、数据的处理显示打印都十分方便, 但对封闭在机箱内部的电子元器件的测量,却有局限性。

4 实验内容与步骤

4.1 开关电源系统的热分析

用万用表测量电路中元件实际功耗,结果如下表:

2 部分元件实际功耗

应用 BETAsoft 热分析软件,对开关电源系统进行热分析,对于环境条件的设置如下表所示:

3 环境条件设置

元器件参数及分析结果如下表所示:

4 元器件参数及分析结果

4.2 开关电源系统的热测量

用多点测温仪对电路板的下述器件进行热测量,将结果填入下表:

5 测量结果与热分析结果比较

5 实验数据分析

结合表3和表4的结果,本实验的误差分析如下:

1. 各元器件误差的来源

①对于同种类型的器件,例如Q1和Q2,D1和D2,R14和R15,热分析软件的建模方法是相同的,但是测量误差相差比较大,特别是Q1和Q2,R14和R15两对,相对误差的差值很大,且由表4的结果可以看出,温度越高,这种误差越明显,造成这种结果主要原因是,实验时温度采集系统的测温传感器是用胶布将其与被测元件粘在一起的,有的被测元件并不方便用胶布粘连,并不能保证传感器与器件的接触位置相同,且元器件表面条件不适宜这种粘连,在元器件发热温度升高的情况下,胶布容易脱落,导致传感器实际上与被测元器件是脱离的,这种现象是在实验过程中观察到的。

②对于Q1和Q2,由表4可以看出,相对误差很大,造成这种现象的主要原因是,实际的开关电源实验电路中,为Q1和Q2安装了专门的散热板,而在软件分析进行电路建模时,并没有这个散热板加入到电路中,导致分析结果比实际测量结果高很多。同时这个结果也说明,为Q1和Q2设计的散热板是有效的。

③对于R14和R15,由表4可以看出,R14的相对误差是很小的,而R15的相对误差虽然小于20%,但是与R14相比,却相差很多。结合表3可知,R14的实际功率比R15小,则R14比R15发热更多。而R14和R15的散热条件相差不大,那么定性分析可知,R14的温度应比R15的温度低。这与热分析的结果是相一致的,但是实际测量结果却是R15的温度应比R14的温度低,这显然是不对的,我们可以推测实验中存在方法上的一些失误,其中最大的可能是R15的传感器脱离,或者这一路的传感器有问题。

2. 一般的误差来源

①实验的环境条件设置中,许多的条件并没有在实验现场实际测量,例如室内温度,入口空气速度,相对湿度,管壳温度等,都是采用的荐用值。我们在实验过程中,尽量地与实际情况接近,例如,我们用温度采集系统的某几路测量了空气温度,将平均值26.2℃作为环境温度输入分析软件,并与第一次采用22℃时的结果进行了比较,发现修正后的分析结果与实际测量结果符合得更好。

②软件分析过程中,将所有的电容器、电感的损耗都记为零,但实际上这是不可能的,因此产生了部分误差,但由表4的结果可以看出,相对误差最小值可以达到0.5%左右,由此可以看出,对于一般的电路做出这种近似处理对结果影响很小,是合理的。

③许多元器件的实际功耗的测量的相当困难的,因此只能大致估计或者采用仿真的方法获得,这将会给实验带来误差。

④温度采集系统设备存在不易发现的性能或功能的偏差,给测量结果带来误差。

⑤实验板上元件的位置的测量是通过精度不高的直尺进行的,并且对元器件的坐标点的判断完全取决于测量者的目测,这也会引入误差。

⑥实验时测量R9、R14、R15的电阻时,均是直接在电路板上测量的,这样实际上给被测元件并联上了剩余的电路部分,这将导致电阻测量值的误差,而刚好这三个电阻是发热量很大的元件,特别是R14和R15,因此导致分析结果出现较大偏差。

⑦采用温度采集系统进行温度测量时,用胶布将传感器与被测元件粘在一起,改变了电路本身的温度场,也导致了散热条件变差,由此带来误差。

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