大功率线性直流稳压电源设计与实现毕业设计论文.doc

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1、毕业设计大功率线性直流稳压电源设计与实现Design and Implementation ofRegulated High-power Linear DC Power Supply学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间： ： 电气与信息工程学院 ： 电子信息工程 ： 电子0641 ： ： 教授 ： 2010年 6月18日 长 春 工 程 学 院摘 要电源是电子电器设备重要的部件，本文所述及的大功率线性直流稳压电源可用于通信系统作通信电源。现市场上主流电源有开关电源，可控硅电源，和晶体管线性电源几种。线性电源虽然效率低，但由于特定场合对于电源纹波和精度的要求，仍需使用线性直流

2、源供电。如何提高电源效率和降低纹波也是本设计需要探讨的问题。通信系统一般要求电源输出功率较大，在较低输出电压（如13.8V左右）的情况下，则相对输出电流要求较大。如今市场上常见的通信电源功率可达300W。本文设计所做的300W线性稳压电源输出电流可达30A,为了更好的应用于各种场合，电源输出电压设计在1215V连续可调。 关键字大功率 线性调整 直流电源AbstractPower supply is the important equipment of electrical and electronic components; The high-power linear DC power su

3、pply which I tell of can be used for communication system to serve as communication power. In the present market the mainstream power source has power switching power supply, SCR power supply, and several linear power transistors. Although the linear power source the efficiency is low, an occasion f

4、or power ripple and accuracy requirements still using the linear DC course supply. How to improve power efficiency and lower ripple is the problem we need to probe. Generally, communication systems require a greater power output in the low output voltage (as 13.8V or so), so need the relatively larg

5、e output current requirements. Today, communication power supply in market, the common power come up to 300W. The design I made the linear regulated of 300W power supply can output current up to 30A, for a better application in each kind of situation, I designed the output voltage is continuously ad

6、justable in the 12 15V .Keyword High Power Linear scaling DC-Power目 录1 引言11.1 大功率线性电源的发展现状及主要技术指标11.2 选题背景及设计思路22 大功率稳压电源主电路设计32.1 电源主电路设计32.2 变压器设计32.3 整流电路42.4 滤波电路52.5 稳压电路52.6 输出电流放大电路83 元器件参数设计93.1 变压器设计93.2 散热片设计134 电源性能检测194.1 纹波特性检测204.2 输出电阻检测224.3 保护电路225 误差分析236 总结24致 谢25参考文献26附录一：27附录二：2

7、81 引言1.1 大功率线性电源的发展现状及主要技术指标1.1.1 线性大功率稳压电源简述线性稳压电源，是指调整管工作在线性形态下的直流稳压电源。线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也会比较大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，大功率线性稳压电源在输出较大工作电流时

8、，调整管的功耗太大，所以还需要安装很大的散热片。虽然效率低，功耗大，但晶体管线性直流电源因其精度高，纹波小，性能优越被广泛应用。1.1.2 国内外电源产品现状目前电源主要可分为三类，晶体管线性直流电源，可控硅直流稳压电源和开关电源。这三种电路各具其优缺点。可控硅直流稳压电源，以其强大的输出功率，晶体管线性直流电源和开关电源无法取代。晶体管线性直流电源以其精度高，性能优越而被广泛应用。开关电源因省去了笨重的工频变压器而使体积和重量都有不同程度的减少，减轻，也被广泛地应用在许多输出电压、输出电流较为稳定的场合。1.1.3 线性大功率稳压电源的技术指标输出电压12V到15V连续可调，输出功率不小于3

9、00W，纹波低于30毫伏，过流保护动作电流25安，过压保护动作电压为14.8伏。1.2 选题背景及设计思路1.2.1 选题背景随着电子技术的飞速发展，线性稳压电源以其低纹波、高精度的优点被广泛使用。供电电源，是各类电子电器产品中必备的部件，有的配置在设备之中作为产品的一部分，也有制作成为单个独立产品。这里所述的供电电源是针对通信系统设计的，其输出纹波电压要求较小。通信电源稳定可靠的运行是整个通信系统正常运行的基础，因此，通信电源的配置必须科学、合理、规范。通信设备直流负荷的容量直接影响到通信电源直流系统的设计，是最重要的设计依据，它的准确程度，将直接影响到电源系统的可靠性与经济性。在直流系统的

10、设计中，既要使电源设备保证一定的冗余量，能够应对功率较大的通信场合，又要充分考虑到建设的经济性，而不是一味地增大电源设备的容量配置。1.2.2 方案论证方案一：简单的并联型稳压电源；并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用此方案方案二：采用LM317可调式三端稳压器电源；LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压. 不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)

11、组成电压输出调节电路,输出电为:Vo=1.25(1+RP/R)。 LM317压降过大,导致电源效率过低。所以不采用此方案。方案三：由LM723组成的零伏起调电源；LM723内部设有高精度基准电压源和高增益的放大器，外围电路比较简单，电压稳定度也比较高，其典型电压调整率为0.01%，负载调整率为0.03%，且热稳定性好，输出噪声也很小，还内设有过电流控制电路，使用安全可靠，具有较高的性价比，为首选方案1.2.3 设计思路目前市场上流行的以78、79系列三端集成稳压器件为核心的线性稳压电源，其输出电压是固定的在使用中不能进行调整，W7800系列三端式稳压器输出正极性电压一般有5V、6V、9V、12

12、V、15V、18V、24V、七个档次，输出电流最大可达1.5A。本设计要求12到15V连续可调集，选择集成稳压电路电压调节器lm723，采用一个7812三端集成稳压器给专为lm723供电，外接5个调节管，可完成输出电压12V到15V连续可调，输出电流高达变压器 线圈比440：48输入VCC 220V整流滤波电路7812稳压模块Lm723集成可调稳压模块调压电路并联放大电路输出30A的线性稳压电源。系统的设计框架图如下：图1-1 系统设计框架图2 大功率稳压电源主电路设计2.1 电源主电路设计在通信设备及其他电子设备中通常都要用到电压稳定的直流电源供电。功率较小的直流电源大多数是将50Hz的交流

13、电经过整流滤波和稳压后获得。大功率线性稳压直流电源还需要放大调节电路和过压过流预警保护。由于半波整流和全波整流效率低，调整复杂，本设计采用单相桥式整流电路，电路中采用4个二极管，接成电桥形式。滤波电路的好坏一定程度决定了输出电路纹波的大小，一般采用电抗原件组成。滤波原理是电容电感都是储能原件，它们能够储存一定的能量（电容储存电厂能，电感储存磁场能），由于能量不能突变因此能量将会逐渐的释放，从而得到比较平滑的电压。稳压电路采用三端固定输出集成稳压器7812和集成可调稳压模块LM723输出稳定可调电压。放大调整部分使用5个调节管并联的方式。电源输入为220V标准交流电，输出为1215V连续可调，电

14、流可高达30A的直流电信号，纹波低于30mA。2.2 变压器设计变压器是实现交流点电压之间的变换，本设计变压器原边线圈440圈，副边线圈48圈，将220V电压变为24V电压。2.3 整流电路整流电路的任务是将交流电变换直流电，完成这一任务主要是靠二极管的单相导电性来实现的，因此二极管是构成整流电路的关键元件。单相半波整流电路结构简单，使用元件少。输出电压V1=0.45V2 半波整流只能把半个周期的交流电输送到负载上，所以电源的利用率不高，输出直流电的脉动很大，另外脉动直流电的直流分量也通过变压器的次级，易使变压器铁芯的导磁率降低，从而降低变压器效率，所以大功率电源不能使用半波整流。全波整流V1

15、=0.9V2全波整流由两个二极管和变压器采用中心抽头的方式，使两个二极管在正半周和负半周内轮流导通，全波整流大大提高了整流效率，输出电压和电流的脉动也减小了但是电源变压器需要中心抽头，在制作变压器的时候可能遇到不必要的麻烦，而且两个次级绕组分别只在电源半个周期内有电流流过，变压器的利用率不够高。本设计最终采用的是单相桥式整流电路，电路使用一个次级线圈就达到了全波整流的目的。电路采用4个二极管，接成电桥形式，在电源电压正半周期时D1、D3导通，D2、D4截止，电流经过电源上端D1、RL、D3到达电源下端形成回路，输出电压UO为上正下负；在电源电压负半周期时D2、D4导通，D1、D3截止，电流经过

16、电源下端D2、RL、D4到达电源上端形成回路，输出电压UO仍为上正下负。负载上的电压、电流与全波整流完全一样VL=0.9V2，纹波系数为0.484，还需要采用滤波电路来减小纹波电压。图2-1 单相桥式整流电路结构与波形图2.4 滤波电路滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容C或是与伏在串联L，以及由电容电感组合而成的各种复式滤波电路。由于电路输出电流比较大，采用电感原件虽然可以有效滤除整流电压纹波，但是会浪费大量功率，使得电源效率变低，所以只采用了电容并联式滤波。电容滤波，电容滤波时间常数（Td=RLC）愈大，放电过程愈慢，输出电压愈高，同时脉动成分

17、愈小，滤波效果愈好。为了平滑负载电压，一般取Td=RLC（35）T/2,负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或是外特性。当C值一定且空载时电压VL=1.4V2；当C=0时，即纯电阻负载时，VL=0.9V2 。在整流电路采用电容滤波后，由于电容C充电的瞬时电流很大，容易损坏二极管，故在选取二极管的最大整流电流参数时还要留有足够的余量，一般都需要23倍的IL。由于负载电流要求比较大，所以选择需要选择大容量电容。UDU0UDUOUDUOUD （a） （b） （c）滤波电路基本结构图图2-22.5 稳压电路稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输

18、出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数，输出电阻，温度系数等。稳压系数是负载电流即温度环境不变时，输出电压的相对变化量和输入电压相对变化量的比值。输出电阻RO定义为输入电压及环境温度变化时，输出电压的相对变化量和输出电流相对变化量的比值。输出电阻RO表明输入电压及环境温度不变时，由于负载电流发生变化而引起输出电压的变化程度。RO越小，稳压电源的稳定性越好。温度系数定义为输出电压及输出电流不变时，输出电压的变化量与温度的变化量之比。温度系数越小，稳压电压电源的稳定性越好。本设计采用三端固定输出集成稳压器7812为集成可调稳压模块LM7

19、23提供稳定的12V电压。随着集成技术的发展稳压器也实现了集成化。集成稳压器具有体积小，可靠性高等优点，三端集成稳压器需要的外接原件少内部有限流保护、过热保护和过压保护电路，它由启动电路、基准电压，调整管、放大电路、保护电路、取样电路六部分组成。调整管接在输入端与输出端之间，当电网电压或负载电流波动是，调整自身的集射压降使输出电压基本保持不变。7812内部调整管为两个三极管组成的复合管，这种结果只要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流。放大电路将基准电压与从输出端得到的取样电压进行比较，然后再放大并送到调整管发基极。比较放大电路的放大倍数愈大，则稳定性能愈好。启动电路

20、其作用是在刚接入直流输入电压时，使调整管、比较放大电路和基准电压等建立各自的工作电流；而当稳压电路正常工作时，启动电路则被断开，以免影响稳压电路的性能。取样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路的输出端。保护电路集成在芯片内部，他们分别为限流保护、过热保护、和过压保护电路。图2-3 7812内部结构图解 LM723是作为连续调整电压而设计的，它可以提供150mA的输出电流，通过增加一个外部晶体管输出电流可超10A，输出电压调整范围2V到37V，也能用作线性或开关调整器。 LM723的适用温度范围：-55+125，LM723C的适用温度范围0+70输出电压调整范围2V

21、37V 最大输入电压40V 短路保护调整 如果没有外部扩流三极管，输出电流可达150 0.01%线性调整率和0.03%的负载调整率图2-4 封装外形图（管脚朝下） 图2-5 基本接线图11号管脚为输入电压端，12号管脚接电源VCC，10号管脚输出放大管基极驱动电流，4号管脚为反相输入端，可调节输出电压，5号管脚为同相输入端，6号管脚接基准调节电路2.6 输出电流放大电路LM723输出的最大电流为150mA，用来驱动后续放大电路，线性电源的调整管都工作在放大区。2.6.1 集成运放的工作原理集成电路是利用氧化,光刻,扩散,外延,蒸铝等集成工艺,把晶体管,电阻,导线等集中制作在一小块半导体(硅)基

22、片上,构成一个完整的电路.按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类,其中集成电路运算放大器(线性集成电路,以下简称集成运放)是模拟集成电路中应用最广泛的,它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路.2.6.2 集成电路的特点单个元件精度不高,受温度影响也大,但元器件的性能参数比较一致,对称性好.适合于组成差动电路.阻值太高或太低的电阻不易制造,在集成电路中管子用得多而电阻用得少.大电容和电感不易制造,多级放大电路都用直接耦合.在集成电路中,为了不使工艺复杂,尽量采用单一类型的管子,元件种类也要少所以,集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点.常用二极管和三极管组成的恒流源和电流

23、源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流,二极管用三极管的发射结代替在集成电路中,NPN管都做成纵向管;PNP管都做成横向管,而PN结耐压高.NPN管和PNP管无法配对使用.对PNP管之间差别,往往不能忽略.2.6.3 集成运放电路的组成及各部分的作集成运放电路由四部分组成,输入级是一个双端输入的高性能差动放大电阻,要求其高,大,大,静态电流小,该级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数,所以更新变化最多.中间级的作用是使集成运放具有较强的放大能力,故多采用复合管做放大管,以电流源做集电极负载.输出级要求具有线性范围宽,输出电阻小,非线性失真小等特点.偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态

24、工作点2.6.4 集成运放的电压传输特性同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同,反相输入端表示输入电压与输出电压相位相反,2.6.5 电压的传输特性所谓电压传输特性,实际上是一种关系曲线，即输出电压和输入电压 之间的关系曲线.关系曲线明显地为两个区域,线性放大区和饱和区,斜线反映了线性放大区输入与输出之间的关系.斜率就是电压放大倍数,输出与输入幅值(或有效值)之比,两端水平线是饱和区的现象,表明输出电压不随输入而变,而是恒定值,由特性曲线还看出线性区非常窄,这是因为差模开环放大倍数非常高,可达几十万倍,只有当静态工作点合时时,电路才能正常工作在线性区.本设计首先采用TIP120将电流进行一级

25、放大，以达到驱动后续大功率三极管2N3055的需求。然后采取5个功率管并联的方式提高输出电流，由于各个三极管间存在着差异所以每个2N3055都需要串联上均流电阻，是电路稳定。每个2N3055能达到的最大电流为15A，但这只是理想状态，这里采用了5个调整管并联，每个输出6A，即可实现30A的输出电流。3 元器件参数设计3.1 变压器设计本电源需要设计24V低频变压器变压器. 变压器的好坏也决定了电源的品质。3.1.1 电源变压器的铁心它一般采用硅钢片. 硅钢片越薄,功率损耗越小,效果越好.整个铁心是有许多硅钢片叠成的,每片之间要绝缘.买来的硅钢片, 表面有一层不导电的氧化膜, 有足够的绝缘能力。

26、3.12 电源变压器的简易设计设计一个变压器,主要是根据电功率选择变压器铁心的截面积,计算初次级各线圈的圈数等.所谓铁心截面积是指硅钢片中间舌的标准尺寸和叠加起来的总厚度b的乘积.如果24V电源变压器的初级电压是U1,次级有n个组,各组电压分别是U21,U22,U2n,各组电流分别是I21,I22,I2n计算步骤如下:第一步,计算次级的功率P2.次级功率等于次级各组功率的和,也就是：第二步, 计算变压器的功率P.算出P2后.考虑到变压器的效率是,那么初级功率P1=P2/,一般在0.80.9之间.变压器的功率等于初,次级功率之和的一半,也就是P=(P1+P2)/2第三步, 查铁心截面积.根据变压

27、器功率,由式(3.1)计算出铁心截面积,并且从国产小功率变压器常用的标准铁心片规格表中选择铁心片规格和叠厚.第四步, 确定每伏圈数N.根据铁心截面积和铁心的磁通密度B,由式(3.2)得到初级线圈的每伏圈数N.铁心的B值可以这样选取: 质量优良的硅钢片,取11000高斯;一般硅钢片,取10000高斯;铁片,取7000高斯.考到导线电阻的压降, 次级线圈每伏圈数N应该比N增加5%10%,也就是N在1.05N1.1N之间选取.第五步,初次级线圈的计算，公式如下：初级线圈.次级线圈,.第六步, 查导线直径.根据各线圈的电流大小和选定的电流密度,由式(3.3)可以得到各组线圈的导线直径.一般24V电源变

28、压器的电流密度可以选用3安/毫米2第七步, 校核. 根据计算结果,算出线圈每层圈数和层数,再算出线圈的大小,看看窗口是否放得下.如果放不下,可以加大一号铁心,如果太空,可以减小一号铁心.采用国家标准GEI铁心,而且舌宽和叠厚的比在1:11:1.7之间, 线圈是放得下的.各参数的计算公式如下: (3.1) (3.2) （3.3)变量说明: P: 变压器的功率. 单位: 瓦(W) B: 硅钢片的工作磁通密度. 单位: 高斯(Gs) S: 铁心的截面积. 单位: 平方厘米(cm2）N: 线圈的每伏圈数. 单位: 圈每伏(N/V) I: 使用电流. 单位: 安(A) D: 导线直径. 单位: 毫米(m

29、m)3.1.3 GEB铁心规格表3-1 铁心片规格表铁心规格全长全宽窗高窗宽舌宽边宽GE103631186.5106.5GE124438228128GE145043259149GE16564828101610GEB196757.533.5121912GEB22786739142214GEB26948147172617GEB301069153193019GEB35123105.561.5223522GEB40144124722640263.1.4 变压器的铁心与绕组为减小交变磁通在铁心中所引起的涡流损耗,铁心一般用厚为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成;并且在硅钢片两面涂以绝缘漆。信号变压器还

30、采用坡莫合金作铁心。硅钢片有热轧和冷轧两种。热轧硅钢片的工作磁通密度一般取0.9-1.2T,钢片常冲成III形,叠装成铁心.绕组套在中间的铁心柱上。冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好,它的工作磁通密度允许达到1.8T,所以铁心体积可以缩小。它的导磁有方向性, 顺着辗轧方向的导磁性能好,故通常将冷轧硅钢片卷成环形铁心,然后切成两 半C形, 将绕组分别套在铁心柱上以后, 再将两半铁心粘成整体。变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成。原边绕组接输入电压,副边绕组接负载，原边绕组只有一个,副边绕组为一个或多个，原副边绕组套装在同一铁心柱上。套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。变压器原副边

31、绕组要套在同一铁心柱上。把原副边绕组套在同一铁心柱上时,由于原副边绕组紧挨在一起(间隙实际上很小,它等于原副边绕组之间绝缘纸的厚度)部分漏磁通在空气中的路径大受限制,因此漏磁通小.而边绕组没有套在原边绕组上时,漏磁通在空气中可以自由经过,无空间限制,因此在同样的磁势下漏磁通就大。将原副边绕组套在一起的合理之处即在于漏抗压降小,对变压 器运行有利。因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化的,减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化。为了使变压器副边电压比较稳定,总是设法减小变压器的漏抗。如果把变压器的原副边绕组分开放置,则漏抗将大大增加,以致负载变动时副边电压变化很大,这样的变压器就不能满足使用上的

32、要求。使用变压器首先要弄清并严格遵守制造厂提供的铭牌数据,以避免因使用不当而不能充分利用,甚至损坏。变压器铭牌上的主要额定数据有:3.1.5 额定电压U1和U2原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压。使用时原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额定值允许变化5%)。考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5-10%.对于负载是固定的24V电源变压器，副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压。输入电压不能超过额定电压。变压器中主磁通和激磁电流的关系称为铁心的磁化曲线,它是一条

33、具有饱和特性的非线性曲线。当主磁通小于额定电压时对应的主磁通时, 磁化曲线近似为线形;超过此值后,主磁通就逐渐趋向饱和.此时,如果再增加磁通, 即增加U1,则电流就会急剧增加,这样变压器就会因过热而马上烧毁.因此,在使用变压器时,必须注意变压器的额定电压和电源电压要一致。3.16 额定电流I1和I2额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的。由于铜耗,电流会发热。电流越大,发热越厉害,温度就越高。在额定电流下,材料老化比较慢.但如果实际的电流大大超过额定值,变压器发热就很厉害,绝缘迅速老化,变压

34、器的寿命就要大大缩短。额定容量是视在功率,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积。它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率,后者和负载的功率因数有关.所以输出功率在数值上比额定容量小。3.1.7 额定频率使用变压器时,还要注意它对24V电源频率的要求。因为在变压器中,在设计变压器时,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的。如果乱用频率, 就有可能变压器损坏。例如一台设计用50Hz,220V电源的变压器,若用25Hz,220V电源,则磁通将要增加一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁。所以在降频使用时,电源电压必须与频率成正比地下降。另外,在维持磁通不变的条件下,也不能

35、用到400Hz,1600V的电源上。此时虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾。因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系。频率增大时, 铁耗增加很多。由于这个原因, 一般对于铁心采用0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器,50Hz时的磁通密度可达0.9-1T,而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T。此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不超过300-500V. 所以在升频使用时,24V电源电压不能与频率成正比的增加, 而只能适当地增加。3.2 散热片设计一个好的大功率电源还需要好的散热片来支持它工作，本设计所使用的放大管2N3055最大可支持15

36、A电流。具体使用额定6A电流当电压为12V时单个放大管功率为72W，所以发热非常严重。需要将放大管固定在散热片上，才能使其工作稳定。利用散热片来增加散热的面积是热管理技术中最常见也是最基本的方式，随着电子器件发热密度增加的趋势，散热的需求日益增加，散热设计的困难度越来越高，所花费的成本也越来越多。虽然新制程及设计技术不断提升，散热片的应用在有限空间的限制下，似乎有渐渐趋向极限的趋势，未来各种不同的冷却技术如水冷、冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可能用来解决散热问题。尽管如此，散热片仍是最经济、最可靠的散热方式，因此提升散热片的效率成了很重要。3.2.1 散热片的种类许多的散热片设计由于忽略了制造

37、的概念，使得研发产品的可靠度及成本成为最后批量供应的障碍。由制造方式来看，气冷的散热片可分为下面几种，如图一所示，表一则为制程性能参数的整理。铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状。此种制程成本低，适合批量供应，可用于低热密度的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因此可进一步降低成本。挤型(Extrusion)散热片挤型的制造方式是由将材料在高压下强制流入模孔中成形而使得固体转换为等截面的连续长条。挤形是散热片制造中最广泛使用的方式，设备投资的经额中等。可经由横切的方式产生矩形的针状散热片，可产生锯齿状的鳍片以增加1020%的效能，但会降低挤型的速度。挤型的高宽比限制可高到6，使用特

38、殊模具设计时则可到10的高宽比。铸造(Casting)散热片将熔化的金属加压到金属模中，以产生精确尺寸的器件。此技术可产生高密度的针状散热片。高的治具费用是最大的成本投资，但适合大量生产的低器件成本可补回此部分。铸造散热片的热传导性会受到固化时气体渗入而产生多孔状而降低。接着(Bonding)散热片接着散热片将鳍片组装于散热片底部，接着剂对散热片的效率影响很大，如果制造不当，会形成热的阻碍，一般使用导热胶或是焊锡。接着散热片的底部由于需特别加工，因此会使得成本较高，但由于制造技术的提升，以及接着剂的改良，如热导性的铝填充胶等，使得接着散热片的成本降低。此种制程方式可制造高宽比高的散热片，在不增

39、加体积需求下可大量增加冷却效率。折迭(Folding)散热片折迭散热片将金属片折迭成鳍片数组形状，由于将折迭的金属片藉由焊锡及铜焊接的方式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻。在制作上的步骤增加，使得成本提升。而制造小间距的鳍片也是困难点。由于增加散热面积，因此散热效率不错。改良式的铸造(Modified die-casting)散热片此种制造方式是传统铸造方式的延伸，首先将相当薄的压印鳍片数组以间格物隔开，然后以夹具固定，使散热片的底部铸造时将鳍片固定于底部，而形成散热片。此种方式消除了鳍片及底部材料的接口热阻，此种制程可提供高的高宽比。锻造(Forging)散热片锻造散热片是用非常

40、高的压力敲击（punch）方式将金属材料压入模中使鳍片成形，可能遇到的制程上的问题是材料会阻碍在模子中，使得高度不均一，热锻造比较容易，而冷锻造可制造较密及较强的鳍片。锻造方式的优点包括高强度、较小的表面粗糙度以及材料的均一性等。锻造方式的散热片具有较高的高宽比。切削(Skiving)散热片这是一种新的散热片制程方式，鳍片用特殊的刀具加工，使得弧状的精密薄片由金属块削出，由于鳍片和金属块是相同材料，因此没有接着散热片或是折迭散热片的缺点。由于制程技术的增进，目前也可制造出高密度的鳍片。目前采用的是6063铝，铜的切削还在实验阶段。由于切削深度可以相当低，鳍片的厚度可以较薄，可以设计较轻性能较高

41、的散热片。机械加工(Machining)散热片藉由机械加工的方式将材料从金属块中移除以形成鳍片的形状。最常用的方式是在CNC 机器上采用一组切割锯，锯子之间有精密的距离，以切割出鳍片几何形状。由于加工时容易造成鳍片的破坏或卷曲，因此需二次加工。优点是容易自动化，因此未来仍有使用空间。3.2.2 散热片的应用方式散热片的选用，最简单的方式是利用热阻的概念来设计，热阻是电子热管理技术中很重要的设计参数，定义为：其中T 为温度差，P 为芯片之热消耗。热阻代表器件热传的难易度，热阻越大，器件得散热效果越差，如果热阻越小，则代表器件越容易散热。IC 封装加装散热片之后会使得芯片产生的热大部分的热向上经由

42、散热片传递，由热阻所构成之网络来看，共包括了由热由芯片到封装外壳之热阻Rjc，热由封装表面到散热片底部经由接口材料到散热片底部之热阻Rcs，以及热由散热片底部传到大气中之热阻Rsa 三个部分。 Rjc 为封装本身的特性，与封装设计有关，在封装完成后此值就固定，须由封装设计厂提供。Tj为芯片接口温度，一般在微电子的应用为115180，而在特定及军事的应用上则为6580。Ta的值在提供外界空气时为3545，而在密闭空间或是接近其它热源时则可定为5060。Rcs为接口材料之热阻，与接口材料本身特性有关，而散热片设计者则须提供Rsa的参数。Rcs 和表面光滑度、接口材料的材料特性以及安装压力以及材料厚

43、度有关，由于一般设计时常会忽略接口材料的特性，因此需特别注意。由热阻网络来看，可以得到热阻的关系为：散热片的作用即是如何使用适当的散热片使得芯片的温度Tj 保持在设定值以下。然而散热设计时必须考虑器件的成本，图三则为几种传统散热片及器件的成本和性能估算，由图中可知，性能佳的散热片成本一般较高，如果散热量较小的设计，就可以不必用到高性能高成本的散热器件。散热设计时必须了解散热片的制作成本及性能的搭配，才能使散热片发挥最大效益。 3.2.3 散热片的材料传统散热片材料为铝，铝的热传导性可达209W/m-K，加工特性佳，成本低，因此应用非常广。而由于散热片性能要求越来越高，因此对于散热片材料热传导特

44、性的要求也更为殷切，各种高传导性材料的需求也越来越高。铜的热传导率390W/m-K，比起铝的传导增加70%，而缺点是重量三倍于铝，每磅的价格和铝相同，而更难加工。由于受限于高温的成型限制，无法和铝同样挤型成形，而铜的机械加工花更多时间，使加工机具更易损毁。然而当应用的场合受限于传导特性为重点时，铜通常可作为替代之用，此外利用铜做为散热片的底部可提升热传扩散的效率，降低热阻值。一些增进散热的材料如高导热的高分子聚合物、碳为基材的化合物，金属粉沫烧结，化合的钻石以及石墨等都是目前受瞩目的热传导材料。然而最需要的性质是什么？控制的传导性、高加工性、低重量、低热膨胀系数、低毒性以及更重要的是成本必须低

45、于铝。许多新材料的物理特性高于铝，但价格也多了许多倍。碳铝化硅是目前最新的材料，混合各种铝合金以制成特殊的物理性质，控制的热膨胀、高传导性以及显著的强度使得碳铝化硅更有吸引力，由于成本的关系，这种材料一般用在底部及作为功率模块底部和芯片直接接触的基板。表3-2 各种不同散热片的材料比较热膨胀系数温度KPprmW/m-K铝23209铜17390钼铜合金7.2195铜20%-钨80%7250铜石墨2350碳化硅铝6.58.0180210硅3.3-4.21503.2.4 散热片的设计的一般原则接着我们进一步讨论散热片的详细的设计细节，首先介绍一般的方式，这些点单的方法可以对一些应用简单的散热片设计提供设计标准：包络体积以散热片的设计而言，这里介绍一个简易的方法，也就是包络体积的观念，所谓包络体积是指散热片所占的体积，如果发热功率大，所需的散热片体积就比较大。散热片的设计可就包络体积做初步的设计，然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计。发热瓦数和包络体基的关系如下式所示。3.2.5 散热片底部厚度要使得散热片效率增加，散热片底部厚度有很大的影响，散热片底部必须够厚才能使足够的热能顺利的传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪费材料，也会造成热的累积反而使热传能力降低。良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源