电源转换器热阻抗入门指南
2020-5-27
所有电源转换器功率都是以热量的形式在内部散发，因此运行温度会比周围温度高。只要将这种额外的热量转移到周围环境，不超过内部的临界温度限制的话转换器就可以全功率运行。
在特定的环境温度下转换器内部达到最高温度限制时，环境温度的任何进一步升高都必须通过降低负载来减少转换器的内部功耗来补偿。这称之为热降额1。
转换器从外壳到环境的热阻抗可以从以下方程得到：
若功耗为已知(输入功率与输出功率之差)，高于环境温度的外壳温升可以确定热阻抗。
然而实际上这种简单的关系很难确定，高于环境温度的温升必须非常精准地测量才能获得可靠的结果。提高结果可靠性的一种方法是在不同环境温度下进行多次测量，因为每个温阶的 ΔT（高于环境温度的温升）都应该相同。
然而真正的自然对流冷却还必须在无通风的环境下确定热阻抗，这是因为恒温箱风扇引起的空气流动会影响结果。如果将被测器件 (DUT) 放在温控设备里的纸箱内，并在功率测量中使用四线系统（开尔文连接）就可以得出相当准确的测量结果：
金属丝网允许空气流动同时阻挡气流
图 1：使用恒温箱的热阻抗测试 (DC/DC)
之所以需要在无通风的环境中进行温度测量的原因是热阻抗在不同的条件下会发生剧烈变化，而这在很大程度上取决于热传递到周围流体的效率（大多数情况下「流体」是指空气）。如果传热系数较差，功耗会导致外壳温度升高而热阻抗也会更高。如果传热效率好，那么在相同的功耗下温度升得较少，热阻抗比较低。因此，方程 1 仅在一组特定的条件下是正确的（仅对流冷却）。同样重要的是测试条件保持不变才能重现结果，设置方式的文件化信息、使用的设备清单和校正与测试结果本身一样重要。
对大多数的实际应用来说对流冷却的热阻抗图最有用，因为符合最常见的板载转换器的使用方式。它们焊接在电路板上，转换器内部散发的热量通过自然对流冷却散发到周围环境中。一些热量也会经由 PCB 走线的电气连接被带走，因此数据表给出的一些温度降额图只有在遵循 PCB 布局信息的情况下才是准确的。少量的热量会通过辐射散发到周围环境中，但根据我们的经验这种影响很小。
提高周围环境传热效率的最有效方法是流动流体（这就是恒温室的风扇会影响读数的原因）。自艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 于 1701 年首次发表论文提出了以下方程，这个效应就广为人知：
其中 q 是传热速率，h 是传热系数，A 是被测器件的表面积，ΔT 是被测器件与环境之间的温差。
牛顿冷却定律指出，若温差为已知，可以通过增加表面积（例如被测器件加上翅片散热器）或提高传热系数（例如向发热处吹气）来提高传热速率。
以实务来看，当转换器上方的气流从层流转为湍流时，传热系数通常会在边界条件下突然变化。对大多数上面是平坦表面的功率转换器来说，这个过渡点大约是 0.1-0.2m/s。因此，0.1m/s (20LFM) 的气流可被视为对流冷却，任何更快的气流都可被认为是强制风冷。
图 2：热阻抗与风速
RECOM 有专属的风洞设备，可通过强制冷却准确测量我们产品的热阻抗。由于有蜂窝式流体调整器，风洞内的气流呈层流状，输出扩散器消除了背压，确保中间测试区的压力和气流均匀分布。
精密的气流传感器连接到驱动风扇的反馈电路，确保稳定和精确可控的气流。使用热像仪测量设备温度可以避免因其他物品放在被测器件的附近而引发湍流效应。
图 3：RECOM 专属的风洞
圆形的小窗口是由特殊的红外线透明玻璃制成，能让红外摄像机远程监控被测器件的温度。左上方的精密流量传感器连接到右侧的风扇控制单元以精确调节风量。
有了这样的设备，我们就可以准确地测试和测量对流冷却和强制冷却参数，并将这些数据写进我们的产品数据表中，例如RPA200H：
我们可以提供协助
RECOM 以设计紧凑、符合经济效益且最重要的是高效的 AC/DC、DC/DC 和开关稳压器电源为荣。在为特定应用选择最合适的部件时，转换器的效率通常是一个关键的决定性因素，尤其是针对功率密度非常高的板载模块。例如，效率为 96% 的转换器内部散发的热量只有效率为 92% 的转换器的一半。
我们使用内部自动化测试系统和气候室进行详尽的测试，并使用风洞为我们的数据表提供准确的温度相关的数据和信息，例如热阻抗和最高外壳温度的数据图、负载效率表，以及标准部件和散热器版的温度降额图。
我们这样做是为了让我们的客户能够为他们的应用选择和设计最合适的部件，这样他们就可以确信转换器在极冷（低至 -40°C）和极热（高达 100°C) 的环境下都能在限制范围内正常工作。由于转换器的选择和所使用的冷却系统对项目的成功与否至关重要，因此欢迎联系 RECOM 技术支持或向我们经验丰富的销售工程师寻求建议。
RECOM: 启动您的产品
1. 更多信息请参阅DC/DC转换器知识手册)第三章
转换器从外壳到环境的热阻抗可以从以下方程得到：
| Eq. 1: |  |
|---|
若功耗为已知(输入功率与输出功率之差)，高于环境温度的外壳温升可以确定热阻抗。
然而实际上这种简单的关系很难确定，高于环境温度的温升必须非常精准地测量才能获得可靠的结果。提高结果可靠性的一种方法是在不同环境温度下进行多次测量，因为每个温阶的 ΔT（高于环境温度的温升）都应该相同。
然而真正的自然对流冷却还必须在无通风的环境下确定热阻抗，这是因为恒温箱风扇引起的空气流动会影响结果。如果将被测器件 (DUT) 放在温控设备里的纸箱内，并在功率测量中使用四线系统（开尔文连接）就可以得出相当准确的测量结果：
金属丝网允许空气流动同时阻挡气流
图 1：使用恒温箱的热阻抗测试 (DC/DC)
之所以需要在无通风的环境中进行温度测量的原因是热阻抗在不同的条件下会发生剧烈变化，而这在很大程度上取决于热传递到周围流体的效率（大多数情况下「流体」是指空气）。如果传热系数较差，功耗会导致外壳温度升高而热阻抗也会更高。如果传热效率好，那么在相同的功耗下温度升得较少，热阻抗比较低。因此，方程 1 仅在一组特定的条件下是正确的（仅对流冷却）。同样重要的是测试条件保持不变才能重现结果，设置方式的文件化信息、使用的设备清单和校正与测试结果本身一样重要。
对大多数的实际应用来说对流冷却的热阻抗图最有用，因为符合最常见的板载转换器的使用方式。它们焊接在电路板上，转换器内部散发的热量通过自然对流冷却散发到周围环境中。一些热量也会经由 PCB 走线的电气连接被带走，因此数据表给出的一些温度降额图只有在遵循 PCB 布局信息的情况下才是准确的。少量的热量会通过辐射散发到周围环境中，但根据我们的经验这种影响很小。
提高周围环境传热效率的最有效方法是流动流体（这就是恒温室的风扇会影响读数的原因）。自艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 于 1701 年首次发表论文提出了以下方程，这个效应就广为人知：
| Eq. 2: |  |
|---|
其中 q 是传热速率，h 是传热系数，A 是被测器件的表面积，ΔT 是被测器件与环境之间的温差。
牛顿冷却定律指出，若温差为已知，可以通过增加表面积（例如被测器件加上翅片散热器）或提高传热系数（例如向发热处吹气）来提高传热速率。
以实务来看，当转换器上方的气流从层流转为湍流时，传热系数通常会在边界条件下突然变化。对大多数上面是平坦表面的功率转换器来说，这个过渡点大约是 0.1-0.2m/s。因此，0.1m/s (20LFM) 的气流可被视为对流冷却，任何更快的气流都可被认为是强制风冷。
图 2：热阻抗与风速
RECOM 有专属的风洞设备，可通过强制冷却准确测量我们产品的热阻抗。由于有蜂窝式流体调整器，风洞内的气流呈层流状，输出扩散器消除了背压，确保中间测试区的压力和气流均匀分布。
精密的气流传感器连接到驱动风扇的反馈电路，确保稳定和精确可控的气流。使用热像仪测量设备温度可以避免因其他物品放在被测器件的附近而引发湍流效应。
图 3：RECOM 专属的风洞
圆形的小窗口是由特殊的红外线透明玻璃制成，能让红外摄像机远程监控被测器件的温度。左上方的精密流量传感器连接到右侧的风扇控制单元以精确调节风量。
有了这样的设备，我们就可以准确地测试和测量对流冷却和强制冷却参数，并将这些数据写进我们的产品数据表中，例如RPA200H：
我们可以提供协助
RECOM 以设计紧凑、符合经济效益且最重要的是高效的 AC/DC、DC/DC 和开关稳压器电源为荣。在为特定应用选择最合适的部件时，转换器的效率通常是一个关键的决定性因素，尤其是针对功率密度非常高的板载模块。例如，效率为 96% 的转换器内部散发的热量只有效率为 92% 的转换器的一半。
我们使用内部自动化测试系统和气候室进行详尽的测试，并使用风洞为我们的数据表提供准确的温度相关的数据和信息，例如热阻抗和最高外壳温度的数据图、负载效率表，以及标准部件和散热器版的温度降额图。
我们这样做是为了让我们的客户能够为他们的应用选择和设计最合适的部件，这样他们就可以确信转换器在极冷（低至 -40°C）和极热（高达 100°C) 的环境下都能在限制范围内正常工作。由于转换器的选择和所使用的冷却系统对项目的成功与否至关重要，因此欢迎联系 RECOM 技术支持或向我们经验丰富的销售工程师寻求建议。
RECOM: 启动您的产品
1. 更多信息请参阅DC/DC转换器知识手册)第三章
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