FloTHERM案例分享 l 電源適配器熱管理分析

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問題需求描述及重要性論述

目前將產品熱設計加入到設計研發流程中備受重視，提前考慮散熱設計，可為研發過程提供參考信息，能夠減少後期大量重複工作，減少樣機測試過程等，產品熱管理分析已經為電子電路設計及機械結構設計提供改進方向和限制條件。

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技術難點

移動電源適配器的功率越來越大，而尺寸需要越來越小，重新設計電子電路布局及電子元器件的選擇等問題亟待解決；

為了滿足散熱需求，需要應用工程師、線路工程師及熱設計工程師等相互溝通，反覆改進產品設計，研發截止日期前的工作量很大；

適配器散熱性能限制了產品設計的許多方面，考慮到產品的便攜性以及內部電源安全性，既要避免增加充電器的尺寸，也要避免為充電器製作通風口，因此要從熱設計的角度考慮優化產品的散熱性能。

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案例介紹

圖1 移動電源適配器

恩智浦（NXP）公司最近設計一個輸出功率為25瓦的充電器，需要讓其與18瓦充電器的尺寸相同，甚至要縮小26%（便於攜帶），但仍然要滿足在不大於2cm*2cm的面積內，產品表面平均溫度最大不超過50攝氏度的標準（環境溫度為25攝氏度）。

物理模型介紹：移動電源適配器輸出功率為25瓦，模型由長方體和方形插頭組成，內部PCB板共有四層，外部兩層為35微米厚的信號層（signal layers），內部兩層為70微米厚的功率板（power planes），每層由不同的均勻材料構成，信號層有30%的含銅量，功率層有70%的含銅量，內部元器件由具有均一內熱源和均勻物性參數的方塊代替，物性參數參考其主要組成材料。當理論分析充電器最大散熱功率時，不考慮內部PCB和電子元器件，內部散熱簡化為均勻內熱源。

理論最大散熱功率（概念設計）：在產品設計初期，電子元器件功率選擇、電路設計、以及產品尺寸等因素未嚴格確定，預先由熱設計工程師模擬模擬，分析產品可行性，並給出產品選材和尺寸的參考值。不考慮充電器內部元器件，發熱量由均勻內熱源代替，理論上當產品溫度達到溫度標準上限時，這個設備的散熱量達到最大。充電器的理想散熱模型的溫度雲圖如圖2所示，理想條件下沒有高溫熱點出現。模擬過程顯示理論上充電器散熱功率最大為2.7瓦，若給定它的輸出功率為25瓦，充電器的最小工作效率理論上應為：25/（25+2.7）=90.3%，為它的電子元件設計提供了參考。

圖2 簡化模型確定25瓦充電器最大功耗

初始設計散熱模擬：接下來對充電器的初始方案進行熱分析，以便查看產品內部高溫熱點。充電器初始設計方案的散熱功率為2.91瓦，根據以上分析結果可知，超過產品散熱極限，溫度必然超過標準，查看此設計的內部溫度分布情況，找到高溫熱點，可以幫助我們確定設計改進方向。如圖3所示，由於充電器內部存在高溫熱源，有幾處位置溫度超過50攝氏度，表面最高溫度已達到61攝氏度。

圖3 初始設計及表面溫度分布雲圖

查看充電器內部溫度分布如圖4所示，充電器內部有兩個主要的高溫熱點，分別是大主板上的一側mosfet和小板子上的同步整流mosfet，臨近這兩個組件的變壓器也有較高的散熱量，但其尺寸較大，因此冷卻效果較好。

圖4 初始設計內部溫度分布雲圖

熱設計優化：設備的實際功耗較高，因此需要優化電子元器件設計，主要集中在減少一次側mosfet、變壓器和同步整流mosfet的功率，變化後產品散熱功率降至2.2瓦，效率達到91.9%，耗功低於理論最大值2.7瓦，因此通過散熱優化能夠減少設備中的高溫熱點，達到散熱要求，接下來我們改進電子元器件布置方案，進一步優化散熱。

首先將一次側mosfet從大主板頂部移動到底部，讓它遠離變壓器等這些熱源，為了增加導熱量，將一次側mosfet較大的端面安裝在大主板上，然後將四橋二極體移動到大主板頂部，再將一個圓柱形電容器側方固定在大主板上。同時增加小主板的面積來提高散熱，並且在變壓器和小主板之間垂直插如一塊塑料板，用於將同步整流mosfet的熱量傳導至大主板和變壓器，最後將USB連接器布置到大主板上，與充電器插頭將熱量傳導至插座的原理類似，在充電時，它也可以幫助電子產品散熱。改進後的充電器內部元器件布置如圖5所示。

圖5 充電器最終設計圖

通過FloTHERM模擬模擬，得到同步整流mosfet附近的溫度降低了大約10攝氏度，充電器表面溫度最大為49.6攝氏度，充電時在2*2cm的面積內，使用紅外相機測量充電器表面溫度，最大為48.8攝氏度。溫度分布雲圖如圖6所示，模擬得到的產品表面溫度分布和最大溫度與實際測量結果一致，而且滿足了設計要求，因此不再需要改進設計方案。

圖6 FloTHERM 模擬與實驗測量溫度場對比

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總結

"FloTHERM幫助我們對新產品設計做預先處理，估計產品可行性，為其他研發人員的工作提供有價值的參考；在研發過程中，FloTHERM方便快捷的完成設計方案的驗證，幫助研發人員快速找到散熱熱點，提高產品改進方向，散熱設計幫助我們減少了大量的試驗工作，降低了產品研發成本，並且提高了研發人員之間的溝通效率，縮短了研發周期。"By Ferdinand Sluijs, Technology Manager, NXP Semiconductors – Smart Power

原文來自：Thermal Design Leading the Charge-By Ferdinand Sluijs, Technology Manager, NXP Semiconductors – Smart Power

由海基科技翻譯和整理

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