開關(guān)電源系統(tǒng)熱分析與熱測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

2017-06-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

通過對一個(gè)典型的開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、熱分析與熱測量,使學(xué)生掌握典型電子系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)方法,學(xué)會(huì)利用現(xiàn)代熱分析軟件及熱測量手段(紅外熱像儀、多點(diǎn)測溫系統(tǒng))對電子設(shè)備進(jìn)行熱分析與熱測量,了解元器件的工作溫度要求及環(huán)境溫度對系統(tǒng)可靠性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具

開關(guān)電源系統(tǒng)熱分析與熱測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

表 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 開關(guān)電源系統(tǒng)的組成及工作原理

傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源,這種電源技術(shù) 成熟,有大量的集成化模塊,具有穩(wěn)定性好,輸出紋波電壓小,使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。但其體積大,重量沉,尤其是效率極低,僅為 45%左右。而開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元器件,通過控制開關(guān)信號(hào)的占空比調(diào)整輸出電壓,效率可高達(dá) 70%—95%。

開關(guān)電源是指通過開關(guān)三極管的導(dǎo)通—截止—導(dǎo)通過程,給負(fù)載提供能量的一類電源。開關(guān)電源主要由取樣電路、基準(zhǔn)電壓電路、誤差放大器、三角波發(fā)生器(振蕩器)、電壓比較器、開關(guān)功率管、變壓器和整流、濾波電路組成。其原理方框圖如圖 1 所示。

圖 1 開關(guān)電源原理圖

取樣電路通過R1 、R2 對輸出電壓U0 分壓得到反饋電壓UF,基準(zhǔn)電壓電路輸出穩(wěn)定的電壓VREF,兩個(gè)信號(hào)之差經(jīng)誤差放大器 A1 放大后,作為電壓比較器 A2 的閾值電壓VP。將三角波發(fā)生器的輸出 Us 與VP比較,得到開關(guān)管的控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作,開關(guān)管輸出的矩形脈沖信號(hào)經(jīng)變壓、整流和濾波后得到輸出電壓U0 。當(dāng)U0 升高時(shí),反饋電壓UF隨之增大,與基準(zhǔn)電壓VREF之間的差值減小,因而誤差放大器 A1 的輸出電壓VP減小,經(jīng)電壓比較器 A2 后,開關(guān)控制信號(hào)的占空比變小,開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間縮短,引起電容的充電時(shí)間縮短,因此輸出電壓隨之減小;反之,當(dāng)U0 降低時(shí),反饋電壓UF隨之減小,與基準(zhǔn)電壓VREF之間的差值增大,因而誤差放大器 A1 的輸出電壓VP增大,經(jīng)電壓比較器 A2 后, 開關(guān)控制信號(hào)的占空比變大,開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間增長,引起電容的充電時(shí)間增長, 因此輸出電壓隨之變大。因此調(diào)節(jié)的結(jié)果令U0 基本不變。

由以上分析可知,通過調(diào)節(jié)控制信號(hào)的占空比來改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的,但是開關(guān)管的開關(guān)周期 T 保持不變,所以根據(jù)以上模式工作的穩(wěn)壓電路被稱為脈寬調(diào)制型(PWM,Pulse Width Modulation)開關(guān)電源。

3.2 開關(guān)電源系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)原理

體積小、功耗大是開關(guān)電源的一大特征,其完整的熱設(shè)計(jì)包括兩方面:如何控制熱源的發(fā)熱量和如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。

3.2.1 發(fā)熱控制設(shè)計(jì)

開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管,高頻變壓器、濾波電感等磁性元器件以及假負(fù)載等。針對每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法。

(1)減少功率開關(guān)的發(fā)熱量。開關(guān)管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一,減少它的發(fā)熱量,不僅可以提高開關(guān)管自身的可靠性,而且也可以降低整機(jī)溫度,提高整機(jī)效率和平均無故障時(shí)間(MTBF)。開關(guān)管在正常工作時(shí),呈開通、關(guān)斷兩種狀態(tài),所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)產(chǎn)生的損耗和導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生的損耗。其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開關(guān)管本身的通態(tài)電阻決定?？梢酝ㄟ^選擇低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減少這種損耗。

(2)減少高頻變壓器與濾波電感等磁性元器件的發(fā)熱。高頻開關(guān)電源中不可缺少地應(yīng)用了各種磁性元器件,如濾波器中的扼流圈儲(chǔ)能濾波電感,隔離型的電源還有高頻變壓器。它們在工作中會(huì)產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損,這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來。這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分。因此在設(shè)計(jì)上要采用多股細(xì)漆包線并聯(lián)纏繞,或采用寬而薄的銅片纏繞,以降低趨膚效應(yīng)造成的影響。磁芯一般選用高品質(zhì)鐵氧體材質(zhì)。

(3)減少假負(fù)載的發(fā)熱量假負(fù)載在印制板(PCB)上的位置往往與輸出用的電解電容靠得很近,而電解電容對溫度極為敏感。因此很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量。比較可行的辦法是將假負(fù)載設(shè)計(jì)成阻抗可變方式。當(dāng)電源處于正常負(fù)載的時(shí)候,假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài);空載時(shí),假負(fù)載消耗電流最大。

3.2.2 散熱設(shè)計(jì)

3.2.2.1熱傳遞三種基本方式

1) 熱傳導(dǎo)

物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí),依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱(或熱傳導(dǎo))。例如,物體內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分,以及溫度較高的物體把熱量傳遞給與之接觸的溫度較低的另一物體都是熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

2) 對流

對流是指流動(dòng)的流體(包括氣體和液體)與其相接觸的固體表面,具有不同溫度時(shí)所發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移過程。按流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同,可分為自然對流和強(qiáng)迫對流。自然對流是由于流體冷熱各部分密度不同或者局部加熱造成流體中的溫差所致;而強(qiáng)迫對流則是由于外力(風(fēng)機(jī)、水泵等)迫使流體進(jìn)行流動(dòng)。

3) 輻射

物質(zhì)以電磁波的形式向外發(fā)射一種帶有能量的粒子過程稱為輻射。由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射稱為熱輻射。當(dāng)溫度高于絕對零度,物體會(huì)不斷將熱能變?yōu)檩椛淠?向外熱輻射。同時(shí),物體不斷吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射,并把吸收的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。輻射換熱就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。

3.2.2.2熱設(shè)計(jì)中冷卻方法的選擇

電子設(shè)備或元器件的冷卻方法通常有以下幾種:

a. 自然散熱

自然散熱也稱為自然冷卻,它是利用設(shè)備中各元件及機(jī)殼的自然熱傳導(dǎo)、自然熱對流、自然熱輻射來達(dá)到冷卻的目的。自然散熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì),將設(shè)備內(nèi)部的熱量排到設(shè)備的外部,使設(shè)備工作在允許的溫度范圍內(nèi)。

b. 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱

強(qiáng)制風(fēng)冷散熱是利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)或抽風(fēng),提高設(shè)備內(nèi)空氣流動(dòng)的速度,來達(dá)到散熱的目的。其散熱形式主要是對流散熱,冷卻介質(zhì)是空氣,主要適用于中、大功率的電子設(shè)備。

c. 液體冷卻

液體冷卻是利用效率較高的傳熱介質(zhì)水和油等來進(jìn)行熱交換,這種冷卻方式多用于大功率設(shè)備發(fā)射管、功率管及某些大功率的分機(jī)或單元。冷卻方式有直接冷卻和間接冷卻。設(shè)計(jì)直接液體冷卻系統(tǒng)時(shí),所選擇的冷卻液粘度要低,以利于冷卻液體的流動(dòng)。冷卻液性能穩(wěn)定,并具有足夠的絕緣性能。機(jī)殼有足夠的強(qiáng)度、密封性好。元器件的排列要利于冷卻液的流動(dòng),冷卻液不要直接沖向電子元器件。

d. 蒸發(fā)冷卻

蒸發(fā)冷卻是利用液體在汽化時(shí)能吸收大量熱量的原理來實(shí)現(xiàn)冷卻的方法。它是大功率發(fā)射機(jī)中的發(fā)射管的發(fā)熱部件的主要冷卻方法。

e. 半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷是借助于電子(空穴)在運(yùn)動(dòng)中直接傳輸能量來實(shí)現(xiàn)制冷。它由熱電堆、冷卻板、散熱器組成。其優(yōu)點(diǎn)是無機(jī)械傳動(dòng)部分,不需致冷劑,操作維護(hù)方便,體積小,重量輕,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),但本身需消耗電能。

f. 熱管散熱

熱管是一種新型高效傳熱元件,它是一種細(xì)長、中空、兩頭封閉的金屬管,管內(nèi)壁附著一層浸滿(飽和狀態(tài))工作液體的毛細(xì)物體,利用毛細(xì)作用來維持工作液體的循環(huán)而實(shí)現(xiàn)散熱。

按照器件(設(shè)備)表面散熱功率密度或體積發(fā)熱功率密度,一般冷卻方法優(yōu)選順序:自然散熱、強(qiáng)制風(fēng)冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻。在本實(shí)驗(yàn)電源系統(tǒng)中,集成穩(wěn)壓器是發(fā)熱量較大的關(guān)鍵器件,對其采用散熱器自然冷卻方式散熱,以保障安全正常的工作。

3.2.2.2本實(shí)驗(yàn)中冷卻方法的選擇

加散熱器;在電路板上加一層冷板(鋁板);優(yōu)化元器件的安裝布局。

開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)所采用的散熱方式主要是傳導(dǎo)換熱和對流換熱。即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上,熱量通過熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器,散熱器上的熱

量再通過對流換熱的方式由空氣帶走。

3.3 電子設(shè)備的熱分析

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)之后需進(jìn)行熱評估,以判斷熱設(shè)計(jì)的合理性和有效性。電子設(shè)備的熱評估一般有兩種方法:熱分析和熱測量。熱分析,又稱熱模擬,是利用數(shù)學(xué)手段在電子設(shè)備設(shè)計(jì)階段獲得溫度分布的有效方法。

采用 Betasoft 熱分析軟件進(jìn)行熱分析。應(yīng)用熱分析軟件在進(jìn)行熱分析時(shí),要輸入諸多參數(shù),如:元器件的幾何尺寸,分布狀態(tài),導(dǎo)熱材料的傳熱系數(shù),功耗及周圍環(huán)境條件等等。其中功耗是主要參數(shù),其準(zhǔn)確度與否直接影響熱分析的精度。電路板中元器件的功耗獲取方法有三種:第一種是查芯片參數(shù)手冊;第二種電路仿真,例如用 Pspice 軟件做仿真。第三種實(shí)測電路板上器件的相關(guān)參數(shù), 計(jì)算輸入功率和輸出功率的差值得到元器件的功耗。

3.4 電子設(shè)備的熱測量

采用 32 路溫度采集系統(tǒng)對電路上的元件進(jìn)行測量。熱測量通常采用兩種測量方法:一種是將熱傳感器直接與被測目標(biāo)接觸進(jìn)行測量,稱作接觸法;一種是利用紅外、激光等熱測量儀器進(jìn)行測量,稱作非接觸法,如下圖所示。

圖 2 溫度測量的兩種方法

直接接觸式測量法將傳感器直接安放在被測器件上,這種方法具有精確、直接、可靠的特點(diǎn),對于封閉機(jī)殼內(nèi)的元器件的熱測量都可采用這種方法。但實(shí)際測量中,需要許多傳感器,進(jìn)行多點(diǎn)安放,造成引線過多,測量工作繁瑣費(fèi)時(shí),還會(huì)引起被測目標(biāo)熱場分布的改變,引起測量的失真。間接法測量,克服了直接法測量的缺點(diǎn),尤其是對元器件密集的 PCB 板的熱測量十分簡捷方便,精確可靠,而且能獲得連續(xù)的二維熱場溫度分布圖像。這類儀器都附有微機(jī)接口,通過微機(jī)可進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)的處理顯示打印都十分方便, 但對封閉在機(jī)箱內(nèi)部的電子元器件的測量,卻有局限性。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

4.1 開關(guān)電源系統(tǒng)的熱分析

用萬用表測量電路中元件實(shí)際功耗,結(jié)果如下表:

2 部分元件實(shí)際功耗

應(yīng)用 BETAsoft 熱分析軟件,對開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行熱分析,對于環(huán)境條件的設(shè)置如下表所示:

3 環(huán)境條件設(shè)置

元器件參數(shù)及分析結(jié)果如下表所示:

4 元器件參數(shù)及分析結(jié)果

4.2 開關(guān)電源系統(tǒng)的熱測量

用多點(diǎn)測溫儀對電路板的下述器件進(jìn)行熱測量,將結(jié)果填入下表:

5 測量結(jié)果與熱分析結(jié)果比較

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表3和表4的結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)的誤差分析如下:

1. 各元器件誤差的來源

①對于同種類型的器件,例如Q1和Q2,D1和D2,R14和R15,熱分析軟件的建模方法是相同的,但是測量誤差相差比較大,特別是Q1和Q2,R14和R15兩對,相對誤差的差值很大,且由表4的結(jié)果可以看出,溫度越高,這種誤差越明顯,造成這種結(jié)果主要原因是,實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度采集系統(tǒng)的測溫傳感器是用膠布將其與被測元件粘在一起的,有的被測元件并不方便用膠布粘連,并不能保證傳感器與器件的接觸位置相同,且元器件表面條件不適宜這種粘連,在元器件發(fā)熱溫度升高的情況下,膠布容易脫落,導(dǎo)致傳感器實(shí)際上與被測元器件是脫離的,這種現(xiàn)象是在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的。

②對于Q1和Q2,由表4可以看出,相對誤差很大,造成這種現(xiàn)象的主要原因是,實(shí)際的開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)電路中,為Q1和Q2安裝了專門的散熱板,而在軟件分析進(jìn)行電路建模時(shí),并沒有這個(gè)散熱板加入到電路中,導(dǎo)致分析結(jié)果比實(shí)際測量結(jié)果高很多。同時(shí)這個(gè)結(jié)果也說明,為Q1和Q2設(shè)計(jì)的散熱板是有效的。

③對于R14和R15,由表4可以看出,R14的相對誤差是很小的,而R15的相對誤差雖然小于20%,但是與R14相比,卻相差很多。結(jié)合表3可知,R14的實(shí)際功率比R15小,則R14比R15發(fā)熱更多。而R14和R15的散熱條件相差不大,那么定性分析可知,R14的溫度應(yīng)比R15的溫度低。這與熱分析的結(jié)果是相一致的,但是實(shí)際測量結(jié)果卻是R15的溫度應(yīng)比R14的溫度低,這顯然是不對的,我們可以推測實(shí)驗(yàn)中存在方法上的一些失誤,其中最大的可能是R15的傳感器脫離,或者這一路的傳感器有問題。

2. 一般的誤差來源

①實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件設(shè)置中,許多的條件并沒有在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際測量,例如室內(nèi)溫度,入口空氣速度,相對濕度,管殼溫度等,都是采用的薦用值。我們在實(shí)驗(yàn)過程中,盡量地與實(shí)際情況接近,例如,我們用溫度采集系統(tǒng)的某幾路測量了空氣溫度,將平均值26.2℃作為環(huán)境溫度輸入分析軟件,并與第一次采用22℃時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)修正后的分析結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果符合得更好。

②軟件分析過程中,將所有的電容器、電感的損耗都記為零,但實(shí)際上這是不可能的,因此產(chǎn)生了部分誤差,但由表4的結(jié)果可以看出,相對誤差最小值可以達(dá)到0.5%左右,由此可以看出,對于一般的電路做出這種近似處理對結(jié)果影響很小,是合理的。

③許多元器件的實(shí)際功耗的測量的相當(dāng)困難的,因此只能大致估計(jì)或者采用仿真的方法獲得,這將會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來誤差。

④溫度采集系統(tǒng)設(shè)備存在不易發(fā)現(xiàn)的性能或功能的偏差,給測量結(jié)果帶來誤差。

⑤實(shí)驗(yàn)板上元件的位置的測量是通過精度不高的直尺進(jìn)行的,并且對元器件的坐標(biāo)點(diǎn)的判斷完全取決于測量者的目測,這也會(huì)引入誤差。

⑥實(shí)驗(yàn)時(shí)測量R9、R14、R15的電阻時(shí),均是直接在電路板上測量的,這樣實(shí)際上給被測元件并聯(lián)上了剩余的電路部分,這將導(dǎo)致電阻測量值的誤差,而剛好這三個(gè)電阻是發(fā)熱量很大的元件,特別是R14和R15,因此導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

⑦采用溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行溫度測量時(shí),用膠布將傳感器與被測元件粘在一起,改變了電路本身的溫度場,也導(dǎo)致了散熱條件變差,由此帶來誤差。

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