摘要

通過對ＡＣ／ＤＣ開關電源的沖擊電流控制和散熱設計研究，可進一步表明電源的沖擊電流控制和散熱結構設計是決定產品質量的關鍵，采用升／降壓橫流電路優化設計可提高電源的使用效率，減少電源熱能的消耗，進一步提高了光電轉換效率。通過對散熱結構優化設計、散熱材料優化選取以及通過熱管和均溫板的散熱方式設計可大幅度提高開關電源的散熱效率。

目前，綜合航電系統仍將向著更加綜合化、信息化、技術化、模塊化及智能化的方向發展，并且綜合航電系統的功能、性能以及可靠性、維修性、保障性、測試性和綜合效能也將出現突破性的飛躍。而航電ＡＣ／ＤＣ開關電源是航電系統的一個重要組成部分，與戰斗機的作戰性能密切相關。可以說，沒有高性能的航電系統，就不可能有高效能作戰的戰斗機。本文就航電ＡＣ／ＤＣ開關電源的沖擊電流控制和散熱設計作進一步的研究和探討。

２ＡＣ／ＤＣ開關電源的沖擊電流控制

開關電源的輸入一般有濾波器來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。

由于電容器在瞬態時可以看成是短路的，當開關電源上電時，會產生非常大的沖擊電流，沖擊電流的幅度要比穩態工作電流大很多，如對沖擊電流不加以限制，不但會燒壞保險絲，燒毀接插件，還會由于共同輸入阻抗而干擾附近的電器設備。

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。這些參數根據不同的電源系統和布局不同而不同，很難進行估算，最精確的方法是在實際應用中測量沖擊電流的大小。在測量沖擊電流時，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為航電通信系統用ＡＣ／ＤＣ電源供電時的最大沖擊電流限值。

２．２限制方法

１）串連電阻法。

對于小功率開關電源，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

串連在電路上的電阻必須能承受在開機時的高電壓和大電流，大額定電流的電阻在這種應用中比較適合，常用的為線繞電阻，但在高濕度的環境下，則不要用線繞電阻。因線繞電阻在高濕度環境下，瞬態熱應力和繞線的膨脹會降低保護層的作用，會因濕氣入侵而引起電阻損壞。

２）熱敏電阻法。

在小功率開關電源中，負溫度系數熱敏電阻（ＮＴＣ）常用在圖３中Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３位置。在開關電源第一次啟動時，ＮＴＣ的電阻值很大，可限制沖擊電流，隨著ＮＴＣ的自身發熱，其電阻值變小，使其在工作狀態時的功耗減小。

用熱敏電阻法也有缺點，當第一次啟動后，熱敏電阻要過一會兒才到達其工作狀態電阻值，如果這時的輸入電壓在電源可以工作的最小值附近，剛啟動時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。另外，當開關電源關掉后，熱敏電阻需要一段冷卻時間來將阻值升高到常溫態以備下一次啟動，冷卻時間根據器件、安裝方式、環境溫度的不同而不同，一般為１分鐘。如果開關電源關掉后馬上開啟，熱敏電阻還沒有變冷，這時對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掉后馬上開啟的原因。

３ＡＣ／ＤＣ開關電源的散熱設計

３．１散熱特性分析

ＡＣ／ＤＣ開關電源工作時的溫度較高，如果熱量不能及時有效地散發出去，不僅影響開關電源的正常工作，還會縮短電源的壽命。

解決ＡＣ／ＤＣ開關電源散熱問題實際就是通過設計合理的散熱結構，改善傳統的散熱條件，有效控制ＡＣ／ＤＣ開關電源的結溫。在ＡＣ／ＤＣ開關電源散熱設計過程中主要考慮兩方面散熱問題，一是電源內部的散熱能力，二是電源對外部環境的散熱能力。其散熱主要通過熱傳導和熱對流實現。

３．２散熱方式

散熱的主要方式可分為散熱片散熱、自然對流散熱、熱管散熱和風扇散熱等方式。

在散熱片散熱方式中，熱量通過熱傳導來傳遞，遵循傅里葉定律：

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

熱對流是指固體表面與它周圍接觸的流體之間因為熱差的存在而引起的熱量交換。熱對流可以分為兩種，即自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，ｈ為對流換熱系數，Ｔ１為固體表面的溫度，Ｔ２為周圍流體的溫度。

熱阻是導熱介質兩端的溫度差與通過熱流功率的比值，熱阻可表示為

式中，Ｒ 為熱阻，ＴＪ為結溫參考點溫度，Ｔｘ為測試參考點溫度，Ｐｈ為熱耗功率。

３．３散熱片結構優化設計

ＡＣ／ＤＣ開關電源使用最多的是通過散熱片散熱，散熱片是利用較大的散熱面積來對流散熱，對于散熱片而言，形狀、加工工藝、尺寸及材料是決定散熱性能的幾個重要因素。

圖４為散熱片結構示意圖。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，結溫也隨著翅片改變而改變，可見適當增加翅片高度對于結溫的降低作用很大，經過反復試驗驗證，當Ｈ＝６０ｍｍ時，結溫效果最好，當Ｗ ＝２ｍｍ、Ｌ＝６ｍｍ、Ｆ＝６ｍｍ 時，散熱效果達到最優，此時結溫可將為８０℃以下，結構優化設計效果明顯。

３．４加裝熱管優化設計

熱管是一種優良的導熱元件，內部有吸液芯和冷凝液，通過液氣轉換的循環變化，將電源發出的熱量導出并通過散熱器散發掉。熱管換熱主要分為蒸發段、傳熱段和冷凝段三個部分，材質采用紫銅，管內填有高真空狀態的工質（純水或其它液態物質）。熱管的特點是能夠將熱量傳輸到較遠的、容易散熱的位置，在實際應用中導熱更加方便。

通過加裝熱管后，熱管把電源散發的熱量傳導到遠端，遠端散熱裝置可以通過風扇等方式把熱量快速帶走，使熱傳導方式變得更加靈活。

３．５加裝風扇和均溫板優化設計

風扇屬于風冷強制散熱，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扇，加裝風量大于０．０２ｋｇ／ｓ型風扇散熱效果明顯。

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傳熱方式，均溫板可以使熱量分散，降低擴散熱阻，散熱片采用均溫板材料制成，會使散熱片在平面上均勻散熱，降溫效果會更加明顯。

４結語

通過對ＡＣ／ＤＣ開關電源的沖擊電流控制和散熱設計研究，可進一步表明電源的沖擊電流控制和散熱結構設計是決定產品質量的關鍵，采用升／降壓橫流電路優化設計可提高電源的使用效率，減少電源熱能的消耗，進一步提高了光電轉換效率。通過對散熱結構優化設計、散熱材料優化選取以及通過熱管和均溫板的散熱方式設計可大幅度提高開關電源的散熱效率。