【正文】 1A +5V 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計與熱分析實驗 2 電源內(nèi)阻： 紋波： 1mV 輸出具有短路保護功能，電源系統(tǒng)工作環(huán)境溫度 50℃。 . 電源系統(tǒng)組成及工作原理 本次實驗中用到的電源系統(tǒng)的原理圖如圖 所示： Vin + VoutADJU 1 LM 317R 1R 3C 5 R 8C 1 C 3R 01K 1Vin VoutADJC 10R 6U 2 LM 337R 2R 4C 6 R 9C 2 C 4R 02K 2C 8C 7 C 9R 5T 1Vin + 5 VGNDU 3 LM 7805C 13C 1 1 C 12R 0 3K 3C 14 R 7R 10T 2TAC220V 圖 電源系統(tǒng)電路原理圖 電路主要由三大部分組成：即變壓器，整流濾波電路，穩(wěn)壓電路。 ? 變壓器：按照設(shè)計要求變壓器的輸出端共五個抽頭，三條輸出是雙 17V，另兩條輸出為 10V 輸出。 ? 整流濾波電路：整流電路是由二極管構(gòu)成的橋式整流電路、電容構(gòu)成濾波電路。 ? 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓模塊即： LM31 LM337 和 LM7805，輔助電路采用了大容量電解電容，有效地濾出了紋波。 電源電路元器件參數(shù)如表 所示。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計與熱分析實驗 3 表 2電源系統(tǒng) 元器件參數(shù) 名 稱 編 號 參 數(shù) 備 注 變壓器 T 輸入電壓 :220V 輸出電壓 :雙 17V,10V 整流器 T1 3A T2 3A 電壓調(diào)整器 U1(LM317) 結(jié)溫 : 0℃ ~120℃ U2(LM337) U3(LM7805) 結(jié)溫 : 0℃ ~125℃ 電阻器 R01 1kΩ R02 1kΩ R1 可變電阻器 R2 R3 100Ω R4 240Ω R5 20Ω ,20W 大功率電阻器 R6 20Ω ,20W R7 10Ω ,15W R8 20Ω ,20W R9 20Ω ,20W R10 10Ω ,15W 電容器 C1 2200μ F 電解電容器 C2 2200μ F C5 10μ F C6 10μ F C9 220μ F C10 220μ F C11 3300μ F C13 220μ F C3 F C4 F C5 F C8 F C12 F C14 F 開關(guān) K1 K2 K3 . 功率器件的降額設(shè)計 降額設(shè)計是將元器件進行降額使用，降額使用的器件可延緩和減小其退化，從而提高了器件的可靠性，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。降額設(shè)計就是使電子元器件的工作應(yīng)力適當?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，從而達到降低基本故障率，保證系統(tǒng)工作的可靠性。電子元器件的故障率對電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，因此降額設(shè)計在軍用電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計中最常用的方法。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計與熱分析實驗 4 各類電子元器件，都有其最佳的降額范圍。此時，工作應(yīng)力的變化對其失效率有明顯的影響，設(shè)計上也容易實現(xiàn)，并且在設(shè)備體 積、重量和成本方面不會付出太大的代價。 在電子元器件的最佳降額范圍內(nèi)，一般可分成三個降額等級： Ⅰ級降額：Ⅰ級降額是最大的降額，適用于設(shè)備故障將會危及安全，導致任務(wù)失敗和造成嚴重經(jīng)濟損失的情況； Ⅱ級降額：工作應(yīng)力減小對元器件可靠性增長有明顯效益，適用于設(shè)備故障會使工作任務(wù)降級，或需支付不合理的維修費用。 Ⅲ級降額：Ⅲ級降額是最小的降額，這種降額的可靠性增長效果和所花費的代價相比是最高的。適用于設(shè)備故障對工作任務(wù)的完成只有小的影響，或可迅速、經(jīng)濟地加以修復(fù)。 在本電源系統(tǒng)設(shè)計中，通過改變集成穩(wěn)壓器的輸出電流 ，從而達到降額使用。集成穩(wěn)壓調(diào)整器的降額準則如表 所示。 表 集成穩(wěn)壓調(diào)整器的降額準則 集成穩(wěn)壓調(diào)整器 降 額 參 數(shù) 降額等級 Ⅰ 級降額 Ⅱ 級降額 Ⅲ 級降額 電源電壓（最大絕對值） 輸入電壓（最大絕對值） 輸入輸出電壓差 輸出電流（最大絕對值） 最高結(jié)溫（℃） 80 95 105 . 電源系統(tǒng)的熱設(shè)計 電子設(shè)備熱設(shè)計的基本任務(wù)是：通過熱設(shè)計在滿足性能要求的前提下盡可能減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量；減少熱阻；選擇合理的冷卻方式。 熱設(shè)計是利用熱的傳遞特性，通過冷卻裝置控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備內(nèi)所處的工作環(huán)境條件下，不超過規(guī)定的最高允許溫度的設(shè)計技術(shù)。電子設(shè)備熱設(shè)計的目的就是要為元器件級、組件級、設(shè)備級創(chuàng)造良好的熱環(huán)境，保證設(shè)備在規(guī)定的環(huán)境條件下按預(yù)定功能能夠正常可靠工作。因此熱設(shè)計就是要在充分掌握各種導致熱失效的參數(shù)的前提下，以較少的冷卻代價獲得高可靠的電 子設(shè)備。 熱設(shè)計中冷卻方法的選擇 a． 自然散熱 b． 強制風冷散熱 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計與熱分析實驗 5 c． 液體冷卻 d． 蒸發(fā)冷卻 e． 半導體制冷 f． 熱管散熱 按照器件（設(shè)備）表面散熱功率密度或體積發(fā)熱功率密度，一般冷卻方法優(yōu)選順序：自然散熱、強制風冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻。 在本實驗電源系統(tǒng)中，集成穩(wěn)壓器是發(fā)熱量較大的關(guān)鍵器件，對其采用散熱器自然冷卻方式散熱，以保障安全正常的工作。 . 功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計 功率器件是電子設(shè)備中發(fā)熱較多的關(guān)鍵器件，一般需采用散熱器以保障功率器件能安全正常的工作。以往的工程經(jīng)驗只是單純從功率器件功耗和尺寸大小的角度，任憑經(jīng)驗粗略選擇散 熱器，沒有對散熱器進行優(yōu)化設(shè)計，這樣做的結(jié)果可能導致所選散熱器的散熱能力過盈或不足。散熱器過盈，不但浪費材料、體積過大，而且重量過高這些都不符合航空航天設(shè)備重量盡可能輕，體積盡可能小的特殊要求；散熱器散熱不足，功率器件產(chǎn)生的熱量不能及時的與周圍環(huán)境進行熱交換，器件溫度過高不但器件可靠性降低，還可能燒毀器件。因此，本實驗在熱設(shè)計理論研究的基礎(chǔ)上，提出了功率器件的熱設(shè)計及散熱器優(yōu)化方案，即用建立熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，根據(jù)熱阻初選散熱器，在所選散熱器的基礎(chǔ)上，借助 Qfin 軟件對初選散熱器進行優(yōu)化設(shè)計。所優(yōu)化出來的散熱器 ，不但重量較之前的散熱器減輕了，而且散熱器體積及散熱器幾何結(jié)構(gòu)更為合理。從而最大限度的滿足航空航天設(shè)備的要求。 . 散熱器的特性 散熱器的種類很多，最常見的功率器件散熱器是型材散熱器，設(shè)計中使用的散熱器就是這種類型的散熱器，該類散熱器主要由兩部分組成，基座和肋片。其主要幾何參數(shù)包括肋片長度、肋片厚度、肋片高度、肋片數(shù)、基座長度、基座厚度和基座寬度等。熱源傳遞到散熱器上的熱量，絕大部分是通過肋片傳遞到周圍環(huán)境中。在散熱器的選用或設(shè)計過程中，對基座的考慮主要注意兩個方面：基座的強度和基座加工的難度，基座的厚度如果太 薄，雖然可以減輕散熱器的質(zhì)量，但太薄的基座不能滿足強度的要求，而且還不易于加工。所以，對散熱器進行優(yōu)化，一般不將基座厚度和肋片厚度作為優(yōu)化變量。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計與熱分析實驗 6 選擇散熱器需要考慮幾個方面，即：安裝散熱器允許的空間、氣流流量和散熱器的成本等。 散熱器熱阻除了與散熱器材料有關(guān)之外，還與散熱器的形狀、尺寸以及安裝方式和環(huán)境通風條件有關(guān)。所以很難有精確的數(shù)學表達式能夠用來計算散熱器的熱阻，而得到散熱器的熱阻通常采取的辦法是實際測