СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2014

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2014 Выходная мощность, Вт Выходная мощность, Вт Выходная мощность, Вт Температура корпуса, ° С 1/4 Brick 1/2 Brick Full Brick Температура корпуса, ° С Температура корпуса, ° С 20 30 50 60 100 90 150 120 200 150 250 40 60 80 100 120 120 ° С 120 ° С 120 ° С 100 ° С 100 ° С 100 ° С 0 а б в 0 0 20 120130140 100 110 30 40 50 60 70 80 90 20 120130140 100 110 30 40 50 60 70 80 90 20 120130140 100 110 30 40 50 60 70 80 90 Θ са = 10 ° С/Вт η = 90% Θ са = 7 ° С/Вт η = 90% Θ са = 3,7 ° С/Вт η = 90% торых Brick-форматов без радиатора в условиях естественной конвекции. При этом примем, что КПД составляет 90%, а тепловое сопротивление корпу- са относительно воздуха определяется размерами Brick-формата. Эти тепло- вые сопротивления у разных произ- водителей несколько отличаются. Для расчётов максимальной мощно- сти примем значения тепловых сопро- тивлений равным некоторым средним значениям: Θ ca (1/4 Brick) = 10 ° C/W (см. рис 1а), Θ ca (1/2 Brick) = 7 ° C/W (см. рис 1б), Θ ca (Full Brick) = 3,7 ° C/W (см. рис 1в). Модули JETD в этих кор- пусах представлены на рисунках 2–4. Покажем зависимость максимальной выходной мощности без радиатора от температуры окружающего воздуха для каждого из трёх типов корпусов в двух случаях: для предельной температуры корпуса 100 и 120 ° С. Из графиков видно, какую макси- мальнуюмощность обеспечивают дан- ные типы Brick-конструкций при при- нятых допущениях, и какова разница между преобразователями с предель- ными температурами корпусов 100 и 120 ° С. В аналитическом виде эту мак- симальную мощность можно опреде- лить так: P out.max ( T a ) = = ( T case.max – T a )/ Θ × η /(1 – η ), (1) где P out.max – максимальная выходная мощность, T a – температура окружаю- щей среды, Θ – тепловое сопротивле- ние корпуса относительно окружаю- щего воздуха, η – КПД. Из этой формулы следует, что преи- мущество в максимальной мощности за счёт повышения предельной темпе- ратуры корпуса со 100 до 120 ° С можно выразить следующей формулой: P out.max 120 ° С ( T a ) – – P out.max 100 ° С ( T a ) = = 20 ° С/ Θ × η /(1 – η ). (2) Для типового КПД 90% эту формулу можно записать как: Δ P (120 ° С – 100 ° С) = 20 ° С × 9/ Θ = = 180 ° С/ Θ . (3) Выражения (1), (2) и (3) справедливы не только для расчётов без радиатора, но и с радиатором, с учётом теплового сопротивления выбранного радиатора. Графики также показывают уровень мощности (в зависимости от темпе- ратуры окружающей среды), выше которого необходимо применение охлаждающего радиатора. Например, в конструктиве Full Brick многие произ- водители выпускают конвертеры мощ- ностью 250…700 Вт. Это означает, что энергетическая плотность этих кон- вертеров такова, что потребуется уста- новка охлаждающих радиаторов суще- ственных размеров (в несколько раз больше, чем сам конвертер). Применение охлаждающих радиа- торов в условиях естественной кон- векции, как известно, имеет низкую эффективность. Так, например, для размера 1/2 Brick 61 × 58,5 × 12,7 мм применение радиатора таких же раз- меров по площади и высоте с числом рёбер 10, согласно Datasheet, практи- чески не даёт уменьшения теплового сопротивления. Возникает на первый взгляд парадоксальная ситуация: у кор- пуса 1/2 Brick без радиатора тепловое сопротивление (которое мы приняли Θ = 7,0 ° С/W) при применении радиа- тора высотой 12,7 мм практически не улучшается, и, в зависимости от потерь на соединении корпуса и радиатора, может увеличиться. Для радиатора высотой в два раза больше (25,4 мм) с таким же количеством рёбер тепло- вое сопротивление уменьшается до Θ = 4,5…4,6 ° С/W. Применение радиато- ра двойной высоты увеличило общую высоту в три раза, в то время как тепло- вое сопротивление уменьшилось толь- ко в 1,5 раза. Можно сказать, что увеличение мак- симальной температуры корпуса со 100 до 120 ° С с точки зрения максимально возможной мощности эквивалент- но установке охлаждающего радиато- ра [2]. Например, с учётом (1) для темпе- ратуры окружающего воздуха T a = 50 ° С эквивалентное тепловое сопротивление этого эквивалента-радиатора меньше, чем отдельного корпуса в пропорции: (120–50) / (100–50) = 70 / 50 = 1,4. Дополнительно в конструкции моду- лей серии JETD были приняты меры по Рис. 1. Графики зависимости максимальной выходной мощности от температуры окружающего воздуха Рис. 2. Внешний вид модуля JETD100 (мощность 100 Вт), энергетическая плотность – 77,6 Вт/дюйм 3 , КПД – 88% Рис. 3. Внешний вид модуля JETD200 (мощность 200 Вт), энергетическая плотность – 83,7 Вт/дюйм 3 , КПД – 92% Рис. 4. Внешний вид модуля JETD400 (мощность 400 Вт), энергетическая плотность – 70,8 Вт/дюйм 3 , КПД – 92%