电源系统的热设计与热管理--以反激式充电器为例

news2025/4/1 4:33:52

前言

反激电源常用于各种电子设备中,比如充电器、适配器等,它们通过变压器进行能量转换。高温环境可能对电子元件造成影响,特别是像MOSFET、二极管、变压器这样的关键部件,导致效率变低,甚至可能导致功能失效。还有安全方面的风险,比如高温可能导致绝缘材料失效,增加触电或火灾的风险。特别是反激电源中涉及的初级和次级隔离,高温可能破坏这种隔离,导致安全隐患。

此文章后续会分析发热产生的原因、主要发热源。为优化热性能,需从降低损耗与强化散热双路径入手,其中可能与软硬件和结构都有关系。本文将以反激式充电器为例,分析热管理的设计要点与工程实践。

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电源为什么会发热

反激电源的核心工作原理是利用变压器(严格来说是耦合电感)在开关管导通时储存能量,关断时传递能量到次级侧。这一过程涉及高频开关、磁场储能、电流突变等,每个环节都会产生损耗,进而导致发热。

先给结论,AC输入低压时比高压更容易发热,具体原因如下讨论:

主要发热元器件

输入整流滤波电路:

正常来说,AC输入电压经过整流桥整流后变成高压直流电到滤波电容中,这个过程不属于反激架构中讨论的内容,但我们以一个系统/产品的角度来分析热管理,这部分整理滤波电路也需要考虑在内。前端100/220V高压交流电经过整流桥,整流滤波变为高压直流电,全桥整流中,电流流经 ​2个二极管串联,导致 ​双倍正向压降损耗全桥硅整流​:总 VF ≈ 1.1V。

高频开关打开阶段(能量存储):

当 ​MOSFET(开关管)导通时,初级绕组(NP)施加输入电压(VIN),电流线性上升,变压器磁芯储存能量。此阶段的主要发热来源包括:
1.开关管导通损耗(I²R 损耗)
MOSFET 的导通电阻 ​RDS(on) 会导致 ​I²R 损耗​(P = IP² × RDS(on))。
初级电流越大(尤其是大功率或高输入电压时),导通损耗越严重。
2.变压器铜损(初级绕组损耗)​
初级绕组的直流电阻(DCR)会导致 ​I²R 损耗。
​高频趋肤效应(Skin Effect)​ 使电流集中在导线表层,增加等效电阻,加剧发热。
3.磁芯储能损耗(磁滞损耗)​
磁芯在充磁过程中存在 ​磁滞损耗(Hysteresis Loss)​,能量以热的形式耗散。
高频工作时,磁芯反复磁化,损耗更明显。

高频开关关断阶段(能量传递):

当 ​MOSFET 关断时,初级电流突然中断,变压器储存的能量通过次级绕组(NS)释放,经整流二极管向负载供电。此阶段的发热来源包括:
1.开关管关断损耗(V-I 交叠损耗)​
MOSFET 关断时,​漏极电压迅速上升(VDS)​,而电流下降需要时间,导致 ​V-I 交叠损耗(Switching Loss)​。
漏感(Lleak)会加剧电压尖峰,增加开关损耗。
2.整流二极管损耗(导通压降 & 反向恢复)​
次级侧整流二极管(如快恢复二极管或肖特基二极管)的 ​正向压降(VF)​ 导致损耗(P = VF × IS)。
​反向恢复损耗(Qrr)​:二极管关断时,反向恢复电荷(Qrr)会消耗额外能量,导致发热。
3. 变压器铜损(次级绕组损耗)​
次级绕组的直流电阻(DCR)和趋肤效应同样会导致 ​I²R 损耗。
4.磁芯去磁损耗(涡流损耗)​
磁芯在去磁过程中会产生 ​涡流损耗(Eddy Current Loss)​,尤其在高频下更明显。
若磁芯材料选择不当(如普通铁氧体 vs. 低损耗纳米晶),损耗会大幅增加。

 其他损耗导致的发热

1.漏感能量损耗(RCD 钳位或谐振吸收)​
变压器漏感(Lleak)无法耦合到次级,会在 MOSFET 关断时产生高压尖峰。
通常采用 ​RCD 钳位电路 或 ​有源钳位(Active Clamp)​ 吸收漏感能量,但该过程会以热的形式耗散能量。
2. 输出电容 ESR 损耗
输出滤波电容的 ​等效串联电阻(ESR)​ 会导致高频纹波电流(Iripple)产生 ​I²R 损耗,使电容发热。
3. PCB 走线电阻损耗
大电流路径(如初级地、次级整流回路)的 PCB 铜箔电阻会导致额外 I²R 损耗。
4. 控制输出与反灌的双PMOS管Rds损耗
5. 电源主控IC,Rcs损耗
6.低PF值,导致前级AC输入电流变大,AC线损耗加大

为什么AC输入低压时比高压更容易发热

反激电源在交流输入电压较低时更容易发热,核心原因在于输入功率恒定的条件下,低压输入迫使电流大幅增加,而电路中的各类损耗与电流呈平方或线性关系,导致整体发热量显著上升。具体机制如下:

输入电流倍增

电源需维持输出功率恒定,输入电压降低时,输入电流必然成反比增加。例如,220V输入时电流为1A,若输入降至100V,电流需升至约2.2A才能维持相同功率。此时,MOSFET导通损耗(与电流平方成正比)、变压器铜损(与电流平方成正比)、二极管导通压降损耗(与电流线性相关)均会大幅增加。

占空比与峰值电流恶化

低压输入时占空比增大,导致变压器存储能量的峰值电流升高。例如,占空比从30%增至60%时,峰值电流可能翻倍。更高的峰值电流会加剧磁芯损耗(与磁通密度高次方相关)和漏感能量损耗(与电流平方相关),进一步推高温度。

寄生参数影响放大

漏感能量损耗(与峰值电流平方正比)、二极管反向恢复损耗(与电流大小相关)在低压大电流工况下被放大。同时,低压输入时电路更易进入断续导通模式(DCM),导致开关损耗分布恶化。

效率塌缩效应

低压输入时效率下降更明显。例如,220V输入时效率为90%,而100V输入时可能降至80%,额外的10%功率损耗直接转化为热量,形成恶性循环。


如何提高效率以减少发热

功率器件优化:选择更低导通电阻的MOSFET和二极管,可能提到同步整流技术。
​变压器设计改进:包括绕组结构、磁芯材料选择,以减少铜损和铁损。
​控制策略调整:如变频控制、软开关技术,以降低开关损耗。
​电路拓扑优化:比如使用有源钳位反激拓扑,减少漏感损耗。
​散热设计:加强散热措施,确保热量有效散发。
​其他辅助措施:如PCB布局优化、使用低ESR电容等。

​成本敏感型:
同步整流 + 三明治绕法 + 变频控制 → 效率88-89%。
​均衡性能型:
CoolMOS + 有源钳位 + 数字控制 → 效率90-92%。
​极致高效型:
无桥PFC+GaN + LLC级联 + 全数字控制 → 效率>96%。


效率提升的同时,还要考虑散热

效率提升≠热量消除

高效率电源常追求 体积压缩​,导致单位体积内功率密度上升。并且动态负载与极端工况的散热要求更高。使用更高效的器件后,虽然总损耗减少,但剩余的热量如果无法自然散逸,若散热不足,局部高温仍会导致元器件失效。仍需主动或被动散热措施。同时,可能在某些工作条件下,如峰值负载,瞬时热量仍然很高,需要散热支持。

主动散热与被动散热

对比项被动散热主动散热
定义不依赖外部动力,通过自然对流、热传导或辐射散热依赖外部能源(如风扇、液冷),强制对流散热
典型方案散热片/鳍片、热管、PCB铺铜、金属外壳导热轴流风扇、离心风扇、液冷系统、热电制冷(TEC)
散热能力较低(通常≤10W)高(可达10kW+)
噪音30~50dB(风扇噪音)
能耗零额外能耗需额外功耗(风扇1~10W,液冷系统更高)
可靠性高(无运动部件)中(风扇寿命约2万~5万小时,需维护)
体积/空间需求较大(依赖散热面积)较小(紧凑设计)
成本低(仅材料成本)中高(含风扇、控制电路及维护成本)
适用场景低功率(如5~100W)、静音需求(医疗、家电)高功率(>50W)、密闭环境(服务器、电动车充电)
维护需求无需维护需定期清灰、检查风扇状态
温度控制精度依赖环境温度,调节能力弱可动态调节(如PWM调速、液冷流量控制)

抽风(排气式)与吹风(送风式)散热

对比项抽风(Exhaust)​吹风(Intake)​
工作原理风扇位于散热器出风口,将热空气抽出风扇位于散热器进风口,将冷空气吹入
气流组织热空气定向排出,避免机箱内乱流冷空气直接冲击发热体,局部散热强
散热效率整体散热均匀,适合多热源场景局部散热更强,适合集中高热源
防尘能力机箱内部形成负压,易从缝隙吸入灰尘(需防尘滤网)正压设计可减少灰尘进入(需保持进风口滤网清洁)
噪音表现风扇需克服风道阻力,中高频噪音可能更明显气流直达散热片,风噪更集中(但可通过降速优化)
适用场景1. 电源整体散热
2. 多发热元件分散布局
1. 高密度发热体(如功率器件散热器)
2. 需快速降温的局部区域
安装复杂度需确保出风口通畅,风道设计要求高需对准发热源,避免气流遮挡
维护成本需定期清理内部积灰(负压吸尘)需清洁进风口滤网(正压防尘但滤网易脏)

风扇散热控制策略

由于我对热管理不专业,这里就主要说一下NTC监测温度和风扇控制策略

这里我列举几种常见的充电器风扇控制策略:

1.电池包插入时转,待机时不转 
2.充电时就转,不充电不转 
3.电池包温度超过50℃转,低于45℃不转 
4.增加充电器NTC,充电器温度超过50℃转,低于45℃不转 
5.增加充电器NTC,充电器温度超过50℃转(超过60℃风扇转动占空比为100%,45℃为40%,依次线性变化),低于45℃不转,超过90℃停机

策略安全性能效静音成本适用场景
1★★☆★☆☆☆☆☆★☆☆低端产品
2★★☆★★☆★☆☆★☆☆基础机型
3★★☆★★☆★★☆★★☆电池保护型
4★★☆★★☆★★☆★★★中端产品
5★★★★★★★★★★★★高端机型

几种策略各有其侧重点,包括安全性、能效、成本、噪音、硬件复杂度、用户需求等。

可以再考虑加入多传感器融合(综合考虑AC输入电压、充电电流、充电功率、充电器实时温度、环境温度等等)。具体不再展开。

结语

在电源的设计中,热管理与热设计是保障系统可靠性和使用寿命的核心环节。发热不仅会导致效率下降、器件老化加速,还可能引发安全隐患(如电容爆裂或PCB烧毁)。通过对主要发热元器件(如MOSFET、变压器、整流二极管)的损耗机制分析,结合效率优化措施(如同步整流、软开关技术、低损耗磁芯)和散热设计(散热鳍片、风扇选型),可显著降低温升并提升系统稳定性。

关键设计策略总结

  1. 根源降耗:优先通过器件选型(GaN/SiC)、拓扑优化(有源钳位)和工艺改进(三明治绕线)降低损耗,减少发热源。
  2. 被动散热:在功率≤65W的便携设备中,采用铝合金散热片、导热硅脂与PCB铺铜设计,兼顾静音与紧凑性。
  3. 主动散热:高功率场景(如100W+)引入智能温控风扇,通过PWM调速或NTC反馈动态平衡噪音与散热需求。
  4. 温度监控与保护:增加NTC实时监测关键节点温度,配合过温保护电路(如 hysteresis 控制)防止热失控。
  5. 系统化热仿真:利用ANSYS Icepak等工具优化风道布局与热分布,避免局部热点。

未来趋势:随着宽禁带器件(GaN、SiC)的普及和封装技术进步,充电器的功率密度将持续提升,热管理将更依赖多物理场协同设计(电-热-磁耦合优化),而液冷散热与相变材料可能在小体积超快充领域实现突破。

最终,热设计需在 ​效率、成本、体积与可靠性 之间找到最佳平衡。唯有将热管理贯穿于电源产品设计的全生命周期,才能实现高性能与长寿命的兼得,为用户提供安全、高效且静音的充电体验。

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