開關電源系統熱分析與熱測量實驗報告

2017-06-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 實驗目的

通過對一個典型的開關電源系統的設計、熱分析與熱測量,使學生掌握典型電子系統的工作原理、設計方法,學會利用現代熱分析軟件及熱測量手段(紅外熱像儀、多點測溫系統)對電子設備進行熱分析與熱測量,了解元器件的工作溫度要求及環境溫度對系統可靠性的影響。

2 實驗設備及工具

表 1 實驗設備及工具

3 實驗原理

3.1 開關電源系統的組成及工作原理

傳統的晶體管串聯調整穩壓電源是連續控制的線性穩壓電源,這種電源技術成熟,有大量的集成化模塊,具有穩定性好,輸出紋波電壓小,使用可靠等優點。但其體積大,重量沉,尤其是效率極低,僅為 45%左右。而開關型穩壓電源采用功率半導體器件作為開關元器件,通過控制開關信號的占空比調整輸出電壓,效率可高達 70%—95%。

開關電源是指通過開關三極管的導通—截止—導通過程,給負載提供能量的一類電源。開關電源主要由取樣電路、基準電壓電路、誤差放大器、三角波發生器(振蕩器)、電壓比較器、開關功率管、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,基準電壓電路輸出穩定的電壓VREF,兩個信號之差經誤差放大器 A1 放大后,作為電壓比較器 A2 的閾值電壓VP。將三角波發生器的輸出 Us 與VP比較,得到開關管的控制信號,驅動開關管工作,開關管輸出的矩形脈沖信號經變壓、整流和濾波后得到輸出電壓U0 。當U0 升高時,反饋電壓UF隨之增大,與基準電壓VREF之間的差值減小,因而誤差放大器 A1 的輸出電壓VP減小,經電壓比較器 A2 后,開關控制信號的占空比變小,開關管導通時間縮短,引起電容的充電時間縮短,因此輸出電壓隨之減小;反之,當U0 降低時,反饋電壓UF隨之減小,與基準電壓VREF之間的差值增大,因而誤差放大器 A1 的輸出電壓VP增大,經電壓比較器 A2 后, 開關控制信號的占空比變大,開關管導通時間增長,引起電容的充電時間增長, 因此輸出電壓隨之變大。因此調節的結果令U0 基本不變。

由以上分析可知,通過調節控制信號的占空比來改變開關管的導通時間TON,從而實現穩壓的目的,但是開關管的開關周期 T 保持不變,所以根據以上模式工作的穩壓電路被稱為脈寬調制型(PWM,Pulse Width Modulation)開關電源。

3.2 開關電源系統的熱設計原理

體積小、功耗大是開關電源的一大特征,其完整的熱設計包括兩方面:如何控制熱源的發熱量和如何將熱源產生的熱量散出去。

3.2.1 發熱控制設計

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

(1)減少功率開關的發熱量。開關管是高頻開關電源中發熱量較大的器件之一,減少它的發熱量,不僅可以提高開關管自身的可靠性,而且也可以降低整機溫度,提高整機效率和平均無故障時間(MTBF)。開關管在正常工作時,呈開通、關斷兩種狀態,所產生的損耗可細分成兩種臨界狀態產生的損耗和導通狀態產生的損耗。其中導通狀態的損耗由開關管本身的通態電阻決定。可以通過選擇低通態電阻的開關管來減少這種損耗。

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

(3)減少假負載的發熱量假負載在印制板(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載的發熱量。比較可行的辦法是將假負載設計成阻抗可變方式。當電源處于正常負載的時候,假負載退出消耗電流狀態;空載時,假負載消耗電流最大。

3.2.2 散熱設計

3.2.2.1熱傳遞三種基本方式

1) 熱傳導

物體各部分之間不發生相對位移時,依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱為導熱(或熱傳導)。例如,物體內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現象。

2) 對流

對流是指流動的流體(包括氣體和液體)與其相接觸的固體表面,具有不同溫度時所發生的熱量轉移過程。按流體產生流動的原因不同,可分為自然對流和強迫對流。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;而強迫對流則是由于外力(風機、水泵等)迫使流體進行流動。

3) 輻射

物質以電磁波的形式向外發射一種帶有能量的粒子過程稱為輻射。由于熱的原因而產生的電磁波輻射稱為熱輻射。當溫度高于絕對零度,物體會不斷將熱能變為輻射能,向外熱輻射。同時,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變為熱能。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熱設計中冷卻方法的選擇

電子設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,它是利用設備中各元件及機殼的自然熱傳導、自然熱對流、自然熱輻射來達到冷卻的目的。自然散熱設計的主要任務是對電子設備的結構進行合理的熱設計,將設備內部的熱量排到設備的外部,使設備工作在允許的溫度范圍內。

b. 強制風冷散熱

強制風冷散熱是利用風機進行鼓風或抽風,提高設備內空氣流動的速度,來達到散熱的目的。其散熱形式主要是對流散熱,冷卻介質是空氣,主要適用于中、大功率的電子設備。

c. 液體冷卻

液體冷卻是利用效率較高的傳熱介質水和油等來進行熱交換,這種冷卻方式多用于大功率設備發射管、功率管及某些大功率的分機或單元。冷卻方式有直接冷卻和間接冷卻。設計直接液體冷卻系統時,所選擇的冷卻液粘度要低,以利于冷卻液體的流動。冷卻液性能穩定,并具有足夠的絕緣性能。機殼有足夠的強度、密封性好。元器件的排列要利于冷卻液的流動,冷卻液不要直接沖向電子元器件。

d. 蒸發冷卻

蒸發冷卻是利用液體在汽化時能吸收大量熱量的原理來實現冷卻的方法。它是大功率發射機中的發射管的發熱部件的主要冷卻方法。

e. 半導體制冷

半導體制冷是借助于電子(空穴)在運動中直接傳輸能量來實現制冷。它由熱電堆、冷卻板、散熱器組成。其優點是無機械傳動部分,不需致冷劑,操作維護方便,體積小,重量輕,易實現自動調節,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,它是一種細長、中空、兩頭封閉的金屬管,管內壁附著一層浸滿(飽和狀態)工作液體的毛細物體,利用毛細作用來維持工作液體的循環而實現散熱。

按照器件(設備)表面散熱功率密度或體積發熱功率密度,一般冷卻方法優選順序:自然散熱、強制風冷、液體冷卻、蒸發冷卻。在本實驗電源系統中,集成穩壓器是發熱量較大的關鍵器件,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本實驗中冷卻方法的選擇

加散熱器;在電路板上加一層冷板(鋁板);優化元器件的安裝布局。

開關電源熱設計所采用的散熱方式主要是傳導換熱和對流換熱。即所有發熱元器件均先固定在散熱器上,熱量通過熱傳導方式傳遞給散熱器,散熱器上的熱

量再通過對流換熱的方式由空氣帶走。

3.3 電子設備的熱分析

電子設備熱設計之后需進行熱評估,以判斷熱設計的合理性和有效性。電子設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,是利用數學手段在電子設備設計階段獲得溫度分布的有效方法。

采用 Betasoft 熱分析軟件進行熱分析。應用熱分析軟件在進行熱分析時,要輸入諸多參數,如:元器件的幾何尺寸,分布狀態,導熱材料的傳熱系數,功耗及周圍環境條件等等。其中功耗是主要參數,其準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手冊;第二種電路仿真,例如用 Pspice 軟件做仿真。第三種實測電路板上器件的相關參數, 計算輸入功率和輸出功率的差值得到元器件的功耗。

3.4 電子設備的熱測量

采用 32 路溫度采集系統對電路上的元件進行測量。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接觸進行測量,稱作接觸法;一種是利用紅外、激光等熱測量儀器進行測量,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,對于封閉機殼內的元器件的熱測量都可采用這種方法。但實際測量中,需要許多傳感器,進行多點安放,造成引線過多,測量工作繁瑣費時,還會引起被測目標熱場分布的改變,引起測量的失真。間接法測量,克服了直接法測量的缺點,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,而且能獲得連續的二維熱場溫度分布圖像。這類儀器都附有微機接口,通過微機可進行控制、數據的處理顯示打印都十分方便, 但對封閉在機箱內部的電子元器件的測量,卻有局限性。

4 實驗內容與步驟

4.1 開關電源系統的熱分析

用萬用表測量電路中元件實際功耗,結果如下表:

2 部分元件實際功耗

應用 BETAsoft 熱分析軟件,對開關電源系統進行熱分析,對于環境條件的設置如下表所示:

3 環境條件設置

元器件參數及分析結果如下表所示:

4 元器件參數及分析結果

4.2 開關電源系統的熱測量

用多點測溫儀對電路板的下述器件進行熱測量,將結果填入下表:

5 測量結果與熱分析結果比較

5 實驗數據分析

結合表3和表4的結果,本實驗的誤差分析如下:

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的結果可以看出,溫度越高,這種誤差越明顯,造成這種結果主要原因是,實驗時溫度采集系統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,在元器件發熱溫度升高的情況下,膠布容易脫落,導致傳感器實際上與被測元器件是脫離的,這種現象是在實驗過程中觀察到的。

②對于Q1和Q2,由表4可以看出,相對誤差很大,造成這種現象的主要原因是,實際的開關電源實驗電路中,為Q1和Q2安裝了專門的散熱板,而在軟件分析進行電路建模時,并沒有這個散熱板加入到電路中,導致分析結果比實際測量結果高很多。同時這個結果也說明,為Q1和Q2設計的散熱板是有效的。

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。結合表3可知,R14的實際功率比R15小,則R14比R15發熱更多。而R14和R15的散熱條件相差不大,那么定性分析可知,R14的溫度應比R15的溫度低。這與熱分析的結果是相一致的,但是實際測量結果卻是R15的溫度應比R14的溫度低,這顯然是不對的,我們可以推測實驗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實驗的環境條件設置中,許多的條件并沒有在實驗現場實際測量,例如室內溫度,入口空氣速度,相對濕度,管殼溫度等,都是采用的薦用值。我們在實驗過程中,盡量地與實際情況接近,例如,我們用溫度采集系統的某幾路測量了空氣溫度,將平均值26.2℃作為環境溫度輸入分析軟件,并與第一次采用22℃時的結果進行了比較,發現修正后的分析結果與實際測量結果符合得更好。

②軟件分析過程中,將所有的電容器、電感的損耗都記為零,但實際上這是不可能的,因此產生了部分誤差,但由表4的結果可以看出,相對誤差最小值可以達到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果影響很小,是合理的。

③許多元器件的實際功耗的測量的相當困難的,因此只能大致估計或者采用仿真的方法獲得,這將會給實驗帶來誤差。

④溫度采集系統設備存在不易發現的性能或功能的偏差,給測量結果帶來誤差。

⑤實驗板上元件的位置的測量是通過精度不高的直尺進行的,并且對元器件的坐標點的判斷完全取決于測量者的目測,這也會引入誤差。

⑥實驗時測量R9、R14、R15的電阻時,均是直接在電路板上測量的,這樣實際上給被測元件并聯上了剩余的電路部分,這將導致電阻測量值的誤差,而剛好這三個電阻是發熱量很大的元件,特別是R14和R15,因此導致分析結果出現較大偏差。

⑦采用溫度采集系統進行溫度測量時,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,也導致了散熱條件變差,由此帶來誤差。

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