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驱动电源的优化设计方案

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:由磁流体理论可知,电磁泵的驱动静压与输入电流成正比,因此电磁泵电源一般根据实际需求设计为恒流源。图10-22液态金属CPU散热器驱动电源功能说明现有的电磁泵恒流电源通常都采用“单核心电路”的设计方法。图10-23现有电磁泵恒流电源的电路板设计结构因为热量产生在局部区域,现有的电磁泵恒流电源很难利用电源外壳整体进行散热。图10-25单PCB板“双核心电路”设计结构“多核心电路”结构能够将原来的局部热流改变为整板的均匀热流。

驱动电源的优化设计方案

电磁泵驱动电源是液态金属芯片散热器关键组件。其目的在于实现机箱电源恒压输出到大电流恒流输出的转换,以驱动液态金属电磁泵稳定运行[1]。由磁流体理论可知,电磁泵的驱动静压与输入电流成正比,因此电磁泵电源一般根据实际需求设计为恒流源。图10-22展示了用于液态金属CPU散热器的驱动电源功能说明。从中可以看出,电磁泵电源输入端与机箱电源的恒压输出相连,实现降压升流功能后,向负载(电磁泵)提供10 A恒流输出。

图10-22 液态金属CPU散热器驱动电源功能说明

现有的电磁泵恒流电源通常都采用“单核心电路”的设计方法。比如,在实现10 A恒流输出时,其电路板的几何布局如图10-23所示。“单核心电路”的设计使转换模块和检测模块直接产生10 A大电流,模块内发热量较大。与此同时,模块尺寸(由元件尺寸决定)一般都是固定的。因此,模块局部的热流密度特别高,温度难于控制,尤其在高输出电流的需求下,现有恒流源设计会导致严重的局部热点问题,甚至存在芯片烧毁的危险[1]

图10-23 现有电磁泵恒流电源的电路板设计结构

因为热量产生在局部区域,现有的电磁泵恒流电源很难利用电源外壳整体进行散热(热量从局部区域扩散到外壳存在很大的扩散热阻)。因此,其一般采用导热铜片结合外置散热翅片为局部发热模块散热,如图10-24。然而,散热翅片和导热铜片的增加,会增大电源器件的体积和复杂性。同时,因为体积的限制,为局部发热元件配置的外置散热翅片一般散热能力极为有限。因此,温度、体积以及复杂度的限制共同制约着现在的电磁泵恒流电源很难朝更高的输出电流迈进,这也极大限制了液态金属CPU散热器的应用。

图10-24 局部散热翅片为局部发热模块散热

为解决上述问题,笔者实验室提出了新颖的“多核心电路”设计方法[1]。其实施策略可解释为:假设总输入电流为I,则PCB板上布置n套核心电路(包括转换模块和检测模块以实现降压升流过程),每套核心电路输出电流I/n。最后,所有的输出并联起来作为总电流I输出。典型的采用“双核心电路”的10 A输出电路结构如图10-25所示。因为每套核心电路中的各模块均只需要产生I/n的电流,其模块内发热量得以大幅度降低。同时,各核心电路可以在电路板上均匀分布,降低了电路板的局部热流密度,散热问题因此能够更容易解决。

图10-25 单PCB板“双核心电路”设计结构

“多核心电路”结构能够将原来的局部热流改变为整板的均匀热流。因此,可以舍去原来针对局部模块的外置散热翅片的设计,改为直接利用电源外壳整体散热的方案,其基本结构如图10-26所示。图中,PCB板上的发热元件(属于不同的核心电路)均匀分布,消除了“单核心电路”中严重的局部热点。均匀的热流可直接通过电源外壳顶部设置的翅片进行散热,散热面积大,同时系统中无须针对局部元件的外置散热器。(www.xing528.com)

图10-26 利用电源外壳整体散热的方案

为保证PCB板上的均匀热流能方便地传导至电源外壳翅片,电源外壳内部设置了若干金属导热块(其高度与元件高度互补,保证元件顶部和导热块底部间间隙小于2 mm,提高热量从元件到外壳翅片的传热效率)。同时,在外壳和PCB板中间填充导热灌封胶,如图10-27和图10-28所示。具有高热导率的金属导热块和能填充缝隙的灌封胶可以保证各发热元件及电路板的热流能迅速传导至电源外壳[1],然后借助翅片向空气散热。

图10-27 电源外壳内的金属导热块设计

图10-28 填入灌封胶设计

相对传统的液态金属电磁泵电源设计方案,上述“多核心电路”的设计和借助电源外壳整体散热的方案能带来如下优点[1]

(1)“多核心电路”和电源外壳整体散热方案的设计,使得在相同的温度限制情况下,本方案能够实现传统方案难以达到的更高的输出电流(5~50 A);

(2)“多核心电路”方案有效降低了PCB板的局部热流密度和元件温度,提高了系统稳定性和安全性;

(3)直接借助电源外壳的整体散热方式散热面积大、效果好、结构简单,不需要任何针对单独元件的外置散热器件;

(4)采用金属导热块和灌封胶填注的设计,可以方便地将热量从PCB板传递到电源外壳,同时灌封胶对电源内部进行填注和密封,可以起到很好的防尘、防水、耐压的功能。

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