摘要

通過(guò)對(duì)ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流控制和散熱設(shè)計(jì)研究，可進(jìn)一步表明電源的沖擊電流控制和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，采用升／降壓橫流電路優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高電源的使用效率，減少電源熱能的消耗，進(jìn)一步提高了光電轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)對(duì)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱材料優(yōu)化選取以及通過(guò)熱管和均溫板的散熱方式設(shè)計(jì)可大幅度提高開(kāi)關(guān)電源的散熱效率。

目前，綜合航電系統(tǒng)仍將向著更加綜合化、信息化、技術(shù)化、模塊化及智能化的方向發(fā)展，并且綜合航電系統(tǒng)的功能、性能以及可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性和綜合效能也將出現(xiàn)突破性的飛躍。而航電ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源是航電系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，與戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能密切相關(guān)。可以說(shuō)，沒(méi)有高性能的航電系統(tǒng)，就不可能有高效能作戰(zhàn)的戰(zhàn)斗機(jī)。本文就航電ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流控制和散熱設(shè)計(jì)作進(jìn)一步的研究和探討。

２ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流控制

開(kāi)關(guān)電源的輸入一般有濾波器來(lái)減小電源反饋到輸入的紋波，輸入濾波器一般有電容和電感組成Π形濾波器，圖１為典型的ＡＣ／ＤＣ電源輸入電路。

由于電容器在瞬態(tài)時(shí)可以看成是短路的，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源上電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊電流，沖擊電流的幅度要比穩(wěn)態(tài)工作電流大很多，如對(duì)沖擊電流不加以限制，不但會(huì)燒壞保險(xiǎn)絲，燒毀接插件，還會(huì)由于共同輸入阻抗而干擾附近的電器設(shè)備。

２．１沖擊電流

沖擊電流的大小由很多因素決定，如輸入電壓大小，輸入電線阻抗，電源內(nèi)部輸入電感及等效阻抗，輸入電容等效串連阻抗等。這些參數(shù)根據(jù)不同的電源系統(tǒng)和布局不同而不同，很難進(jìn)行估算，最精確的方法是在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量沖擊電流的大小。在測(cè)量沖擊電流時(shí)，不能因引入傳感器而改變沖擊電流的大小，推薦用的傳感器為霍爾傳感器。圖２為航電通信系統(tǒng)用ＡＣ／ＤＣ電源供電時(shí)的最大沖擊電流限值。

２．２限制方法

１）串連電阻法。

對(duì)于小功率開(kāi)關(guān)電源，可以用像圖３的串連電阻法。如果電阻選得大，沖擊電流就小，但在電阻上的功耗就大，所以必須選擇折衷的電阻值，使沖擊電流和電阻上的功耗都在允許的范圍之內(nèi)

串連在電路上的電阻必須能承受在開(kāi)機(jī)時(shí)的高電壓和大電流，大額定電流的電阻在這種應(yīng)用中比較適合，常用的為線繞電阻，但在高濕度的環(huán)境下，則不要用線繞電阻。因線繞電阻在高濕度環(huán)境下，瞬態(tài)熱應(yīng)力和繞線的膨脹會(huì)降低保護(hù)層的作用，會(huì)因濕氣入侵而引起電阻損壞。

２）熱敏電阻法。

在小功率開(kāi)關(guān)電源中，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（ＮＴＣ）常用在圖３中Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３位置。在開(kāi)關(guān)電源第一次啟動(dòng)時(shí)，ＮＴＣ的電阻值很大，可限制沖擊電流，隨著ＮＴＣ的自身發(fā)熱，其電阻值變小，使其在工作狀態(tài)時(shí)的功耗減小。

用熱敏電阻法也有缺點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)后，熱敏電阻要過(guò)一會(huì)兒才到達(dá)其工作狀態(tài)電阻值，如果這時(shí)的輸入電壓在電源可以工作的最小值附近，剛啟動(dòng)時(shí)由于熱敏電阻阻值還較大，它的壓降較大，電源就可能工作在打嗝狀態(tài)。另外，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源關(guān)掉后，熱敏電阻需要一段冷卻時(shí)間來(lái)將阻值升高到常溫態(tài)以備下一次啟動(dòng)，冷卻時(shí)間根據(jù)器件、安裝方式、環(huán)境溫度的不同而不同，一般為１分鐘。如果開(kāi)關(guān)電源關(guān)掉后馬上開(kāi)啟，熱敏電阻還沒(méi)有變冷，這時(shí)對(duì)沖擊電流失去限制作用，這就是在使用這種方法控制沖擊電流的電源不允許在關(guān)掉后馬上開(kāi)啟的原因。

３ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)

３．１散熱特性分析

ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)的溫度較高，如果熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，不僅影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作，還會(huì)縮短電源的壽命。

解決ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源散熱問(wèn)題實(shí)際就是通過(guò)設(shè)計(jì)合理的散熱結(jié)構(gòu)，改善傳統(tǒng)的散熱條件，有效控制ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源的結(jié)溫。在ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源散熱設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮兩方面散熱問(wèn)題，一是電源內(nèi)部的散熱能力，二是電源對(duì)外部環(huán)境的散熱能力。其散熱主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流實(shí)現(xiàn)。

３．２散熱方式

散熱的主要方式可分為散熱片散熱、自然對(duì)流散熱、熱管散熱和風(fēng)扇散熱等方式。

在散熱片散熱方式中，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)傳遞，遵循傅里葉定律：

其中ｑ為熱流密度（Ｗ／ｍ２），ｋ為導(dǎo)熱系數(shù)（Ｗ／ｍ·Ｋ），“－”表示熱量流向溫度降低的方向。

熱對(duì)流是指固體表面與它周圍接觸的流體之間因?yàn)闊岵畹拇嬖诙鸬臒崃拷粨Q。熱對(duì)流可以分為兩種，即自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述：

式中，ｈ為對(duì)流換熱系數(shù)，Ｔ１為固體表面的溫度，Ｔ２為周圍流體的溫度。

熱阻是導(dǎo)熱介質(zhì)兩端的溫度差與通過(guò)熱流功率的比值，熱阻可表示為

式中，Ｒ 為熱阻，ＴＪ為結(jié)溫參考點(diǎn)溫度，Ｔｘ為測(cè)試參考點(diǎn)溫度，Ｐｈ為熱耗功率。

３．３散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源使用最多的是通過(guò)散熱片散熱，散熱片是利用較大的散熱面積來(lái)對(duì)流散熱，對(duì)于散熱片而言，形狀、加工工藝、尺寸及材料是決定散熱性能的幾個(gè)重要因素。

圖４為散熱片結(jié)構(gòu)示意圖。散熱片主要尺寸包括翅片厚度Ｗ 、翅片間距Ｌ、翅片高度Ｈ 及底板厚度Ｆ。

隨著翅片的高度增加，結(jié)溫也隨著翅片改變而改變，可見(jiàn)適當(dāng)增加翅片高度對(duì)于結(jié)溫的降低作用很大，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)Ｈ＝６０ｍｍ時(shí)，結(jié)溫效果最好，當(dāng)Ｗ ＝２ｍｍ、Ｌ＝６ｍｍ、Ｆ＝６ｍｍ 時(shí)，散熱效果達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)結(jié)溫可將為８０℃以下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果明顯。

３．４加裝熱管優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱管是一種優(yōu)良的導(dǎo)熱元件，內(nèi)部有吸液芯和冷凝液，通過(guò)液氣轉(zhuǎn)換的循環(huán)變化，將電源發(fā)出的熱量導(dǎo)出并通過(guò)散熱器散發(fā)掉。熱管換熱主要分為蒸發(fā)段、傳熱段和冷凝段三個(gè)部分，材質(zhì)采用紫銅，管內(nèi)填有高真空狀態(tài)的工質(zhì)（純水或其它液態(tài)物質(zhì)）。熱管的特點(diǎn)是能夠?qū)崃總鬏數(shù)捷^遠(yuǎn)的、容易散熱的位置，在實(shí)際應(yīng)用中導(dǎo)熱更加方便。

通過(guò)加裝熱管后，熱管把電源散發(fā)的熱量傳導(dǎo)到遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端散熱裝置可以通過(guò)風(fēng)扇等方式把熱量快速帶走，使熱傳導(dǎo)方式變得更加靈活。

３．５加裝風(fēng)扇和均溫板優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)扇屬于風(fēng)冷強(qiáng)制散熱，可較大幅度地提高散熱片散熱效果，在翅片垂直端面上分別加裝軸流風(fēng)扇，加裝風(fēng)量大于０．０２ｋｇ／ｓ型風(fēng)扇散熱效果明顯。

均溫板的原理與熱管相似，但是熱管的傳熱是一維單向，而均溫板是二維的面?zhèn)鳠岱绞剑鶞匕蹇梢允篃崃糠稚ⅲ档蛿U(kuò)散熱阻，散熱片采用均溫板材料制成，會(huì)使散熱片在平面上均勻散熱，降溫效果會(huì)更加明顯。

４結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ＡＣ／ＤＣ開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流控制和散熱設(shè)計(jì)研究，可進(jìn)一步表明電源的沖擊電流控制和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，采用升／降壓橫流電路優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高電源的使用效率，減少電源熱能的消耗，進(jìn)一步提高了光電轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)對(duì)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱材料優(yōu)化選取以及通過(guò)熱管和均溫板的散熱方式設(shè)計(jì)可大幅度提高開(kāi)關(guān)電源的散熱效率。