信息产业部电子第二十研究所，陕西 西安710068 1引言通常情况下，军用飞机能够提供给机载电子设备的电压仅有交流115V或直流28V，而在机载电子设备内部各个部分，电路正常工作所需电压的种类远不止这两种，这样，在设备内部就要配备一个或多个电源变换器对由飞机提供的电压进行一级或多级转换，从而产生多种电压（如：±15V，±5V等）供设备内部电路正常工作使用 ，图1是这种电源变换器的典型外形。值得注意的是，电源变换器在进行电压变换的时候，会产生大量的热，如果采取的散热措施不当，则变换器会因为自身温度高于它的关闭温度（Thermal shutdown）而保护性关闭，从而导致设备工作失灵。本文旨在对这种变换器的散热问题进行一些探讨。2效率和耗散功率电源变换器从输入源接受功率，经过变换后，把
特定的功率传递给负载。但是，并不是所有的输入功率都会转换成为输出功率，在变换器内部，部分功率会以热的形式耗散掉。输出功率与输入功率之比叫作变换器的效率。效率是反映耗散功率与输出功率关系的一个基本指标，如图2、图3所示。考虑散热问题的第一步是根据电源变换器在最恶劣负载条件下的效率，计算变换器的耗散功率。显然，效率越高，耗散功率越低，散热问题也就越简单。军用电源变换器效率一般都在80％以上。3电源变换器的散热电源变换器通过它上面的金属底板散热。金属底板与变换器内部发热元件热耦合但同时电气绝缘。热设计的根本目的就是想办法把热从金属底板传到周围环境中去，从而保证底板温度不高于最大限定值。
热量一般通过三种方式从高温区传递到低温区：辐射：不同温度的物体之间以电磁形式进行的热传递；传导：通过固体媒介进行的热传递；对流：通过流体媒介（比如空气）进行的热传递。在每一个具体的散热过程中，以上三种方式都同时起作用，只是程度不同而已。多数情况下，对流是热 传递的主要方式，其余两种在散热过程中仅仅起辅助作用。但在某些场合，它们也会起到令人意想不到的作用。因此在制定散热措施时，应全面考虑这三种散热方式。4辐射辐射发生在两个相互暴露且温度不同的物体之间。辐射对物体温度的影响取决于多种因素，包括相对于别的物体的温度、物体的方位、表面光洁度以及物体之间的距离等等。由于在辐射过程中难以对这些因素进行量化，因此，使得对于因辐射而造成的物体温度变化的计算既复杂又不精确。在电源变换器散热过程中，辐射散热不会成为主导因素，多数情况下它的散热量不会超过散热总量的10％。正是因为这样，辐射散热只作为热设计的安全裕度加以考虑，并不需要精确的分析和计算。另外，我们通常假设变换器的温度高于周围环境温度，这对于辐射散热而言是有利的。但在有些情况下，周围物体的温度比变换器高很多，辐射反而会使变换器的温度上升。预测辐射散热所带来的影响时，应全盘考虑电源变换器的相对位置、可能达到的温度以及周围物体的情况。如果在变换器旁边有高温物体存在，那么在它们中间适当添加一些物体，以致可有效减缓因辐射而引起的变换器温度的升高。5传导电源变换器工作时，热量从金属底板传导到与之贴合的散热器或热导体上。热量通过贴合面后，底板温度会不同程度的降低。如图4所示，贴合面可以看作是热传导过程中的一个“热阻”。底板温度等于贴合面温升与贴合导体温度之和。如果不加控制的话，通过贴合面后的温升是很大的。原则上，贴合面面积应尽可能的大，平面度应控制在5丝以内。贴合面可以均匀涂抹导热脂以填充平面不平整的地方。措施采取得当的话，贴合面的热阻可以控制在0.1℃/W以内。 
在很多情况下，需要把金属底板的热量通过热导体传导到“远处”的散热面去，这时底板的温度等于散热面温度、热导体温升以及各个贴合面温升之和。热导体的热阻与长度成正比，与截面积、热导率成反比，如图5所示。 
减小温升的途径有：降低各贴合面热阻，通过选择材料和控制几何尺寸来减小热导体的热阻。6对流通过对流散热是电源变换器冷却最常用的方法。自然对流是指热从散热面传递到周围温度较低的物质（如：自然状态的空气）中。强迫对流是指热传递到运动的气流中。电源变换器散热模型如图6所示。金属底板的温度取决于空气的温度、总的耗散功率和两个热阻值：底板与散热器贴合面的热阻、散热器对空气的热阻。贴合面热阻正如前面传导散热中所谈到的，可以设法减小到最小。而散热器与空气间的热阻则取决于多种因素，包括散热器的材料、几何尺寸、空气温度、空气密度、空气流速等等。不论是在自然对流还是在强迫对流的条件下，大多数散热器的热阻值都可以从相关手册上查到。下面就开始讨论电源变换器的自然对流散热和强迫对流散热问题。 
6.1自然对流自然对流与强迫对流相比，优点在于较低的成本、不需要风扇和冷却过程中较高的可靠性。但是，为了达到理想的冷却效果，自然对流要求散热器必须具有足够大的体积。选择合适的散热器应当遵循下列步骤：（1）确定需要由散热器耗散的功率；这可以根据电源变换器的效率和最恶劣条件下变换器的输出功率，用效率和耗散功率一节内所给的公式计算；（2）估算或用实验的办法确定贴合面的热阻；导热脂的使用可以有效降低热阻；按保守估计，热阻值可以以0.2℃/W计；（3）根据图6，我们可以得出以下散热器对空气热阻的计算公式：
式中，Ta是最恶劣条件下的环境温度；θbs是由上面第（2）步得出的贴合面热阻；Pdiss是由上面第（1）步得出的耗散功率；Tb是金属底板的温度；刚开始时，可以把Tb＝85℃(或100℃)代入上式得出散热器对空气热阻的最大可接受值；（4）先选几个物理尺寸合适的散热器，利用给出的有关数据和最恶劣条件下的环境温度Ta得出自然对流条件下的热阻；如果热阻值小于由（3）步公式算出的值，那么继续第（5）步；反之，更换更大的散热器或采用别的散热方法（如强迫风冷等）；（5）根据可用空间和允许的成本，选择热阻值最小的散热器；牢记一点：底板温度哪怕少许的降低也会对MTBF(mean time between failures 平均故障间隔时间)的提高产生显著影响；（6）金属底板的温度可用下式估算：Tb=Ta+Pdiss×(θbs+θsa)（7）如果条件许可，通过实验验证结果。另外，还应注意以下一些问题： a. 散热器有关数据是在散热翅片垂直的情况下给出的，翅片水平放置会降低冷却效率。如果散热器必须水平安装，那末应该获取相关数据或改用强迫对流冷却。b. 空气受热时会因为密度变化而产生运动，自然对流的发生正是依靠空气的这种运动。散热器的热阻值是在散热翅片完全暴露于空气中且翅片末端及沿长度方向没有遮挡的条件下给出的。如果在实际使用中，翅片上方空气的流动因为有东西遮挡而受到影响，可以考虑更换大一些的散热器。但在最坏情况下，自然对流有可能完全失效。因此，在使用散热器时应尽可能使翅片完全暴露在空气中。c. 在为电源变换器选择散热器时，不必因为金属底板的尺寸而限制散热器的尺寸。散热器底座比金属底板面积大对散热往往是有利的。多个变换器可以同时安装在一个散热器上，但在进行散热计算时，耗散功率应当是各变换器耗散功率之和，同时还要考虑因各变换器耗散功率不同而可能引起的局部过热问题。6.2强迫对流当空气受迫流动时，散热效果会明显改善。与自然对流相比，散热器对空气的热阻几乎可以很好地满足各种不同的设计要求。选用散热器时，应参考电源变换器说明书中所给出的在不同空气流速下金属底板对空气的热阻值。空气受迫流动意味着风机的使用。需要说明的是，风机的使用必须符合系统可靠性要求。在“肮脏”环境中使用时，一定要定期更换过滤器以保证冷却效果。忽视过滤器的定期更换和风机失效都会导致系统关闭或工作失灵。另外，为最大限度发挥强迫对流的散热效力，应该为受迫气流设置合理的风道。为强迫对流选择散热器/风机组合的步骤如下：（1）根据自然对流一节内选择散热器的前三步确定散热器对空气热阻的最大可接受值。（2）选择散热器/风机组合时，必须要知道散热器和风机在强迫对流条件下的有关技术数据。散热器的技 术数据一般会给出散热器的风量－热阻曲线以及风量－静压曲线；风机的技术数据则会给出风机的风量－静压曲线。两条曲线的交点就定义了通过散热器的工作气流的特性如图7所示。而散热器对空气的热阻则可以直接从散热器的风量－热阻曲线中直接读出。
在使用图7所示的曲线时，应注意以下一些问题：a. 风量的单位可以是（厘米3/秒）或（厘米/秒），两者的换算关系是：厘米3/秒＝厘米/秒×风道横截面积（厘米2）；散热翅片间的风道横截面积是指气流必须通过的面积，如图8所示。风机曲线给出了在不同静压损失条件下的输出风量。风机产生的冷却气流流经的路径上，往往有数个风道产生不同的阻力，累加后产生比较大的静压损失（即风机的静压损失），使风道的风量减小，给不出散热所需要的风压，因此，应尽量减小不必要的静压损失。处于风道中的散热器以及气流的入口、出口形状都会对静压损失产生一定影响。在实际应用中，应该避免气流的入口、出口及风道截面积被随意压缩，同时，风道最好不要有突然的变向。 
b. 根据散热器曲线和风机曲线交点间接求出的热阻一般会比实际的小，因为我们假设风机产生的气流全部流过了散热器横截面，静压损失也全部沿散热器产生。在大多数情况下，由于风机和散热器已经提供了足够的冷却，因此，即使根据图7得出的热阻值与根据步骤（1）算出的热阻值接近，也没有必要换更大的风机或采用其它的散热器。（3）按照自然对流一节内步骤5到步骤7完成散热器的选择，然后选择热阻最小的风机／散热器组合，选择时要兼顾成本和空间尺寸。最后，计算变换器底板温度并通过实验进行验证。 ——此文章转载于互联网，文中观点与本网站无关，如有侵权请联系删除
