电源系统的热设计与热管理--以反激式充电器为例

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。

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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%。

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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	无	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。