Traco Power热设计核心原理全解析

随着应用对电源模块（PSU）的小型化、高集成度和高功率密度需求日益增长，热设计在系统开发中的重要性也不断提升。然而，应对这一挑战的方法需依据具体的预算和设计限制而定。 

最常见且成本最低的方式是采用自然对流结合散热器的被动散热方案。若被动方式无法满足要求，下一步则是采用主动散热，例如使用风扇进行强制通风。但这也意味着风扇需进行实时监控——一旦风扇失效，电源可能迅速过热并损坏。 

本文由Traco power带您深入了解热设计细节。

如何为电源降温？

由于没有任何电气系统是100%高效的，因此我们必须应对电源运行中不可避免产生的热量。设计团队需评估将产生多少热、可接受的最高温度是多少，以及最合适的散热方式。然而，这不仅是一个电气工程问题。散热设计需要整个团队的协同配合，以兼顾机械结构和产品设计方面的要求，例如尺寸与重量。

被动散热

电子系统中的散热方式主要有两种：被动散热和主动散热。被动散热完全依靠物理自然规律，将产生的热量直接传导并散发到环境中。 

所选电源产品的技术资料通常会提供温度限制、安装方式和散热要求等相关指导。以 Traco Power 的 TBLC 90系列为例：这是一款90瓦 DIN 导轨安装的产品，采用自然对流散热。该电源的工作温度范围为–20°C 至 +70°C，然而在超过 +55°C 的环境下，输出功率需按每升高1K 降低2.5%进行降额使用。 

根据规格说明，该产品要求周围具备20LFM（线性英尺/分钟）的自然对流通风。此外，安装指南中明确了安装方向，指出气流应自下而上（见图1）。 

图 1：该 DIN 导轨电源依赖对流进行散热

散热的数学原理

电源中的一些元器件，例如功率 MOSFET，通常在其封装中集成了较厚实的金属散热片（见图 2）。硅芯片被安装在该金属部分上，热量便通过这一结构传导出去。然而，仅凭封装本身所能处理的热量是有限的。 

为了确定这个极限，需要查阅产品数据手册，并关注“结-环境热阻”（RθJA）这一参数。该值表示硅芯片每耗散1瓦功率时所导致的温升（单位为摄氏度）。

图 2：功率器件配有金属片（左、中）或焊块（右）以帮助散热

同时还应考虑系统所在环境的温度。例如即使在办公室或家用环境中，电源设备也可能因阳光直射而在某些时段达到30°C 以上。这种温升可能会使半导体器件的工作温度超出规格限制。 

假设芯片的最高结温 （TJmax ）为150°C，环境温度（ TA ）为30°C，那么可用的温升裕度为120°C。若 RθJA 值为23.9°C/W，则在不添加额外散热器的情况下，器件最多只能安全耗散约5W 功率，其计算公式为： 
 (TJmax – TA) ÷ RθJA = 120 ÷ 23.9 ≈ 5 W 

需要明确的是，功率器件的金属片或焊块并不是最终的散热解决方案。它们的作用是将热量传导到更大的热容体上，比如外部散热器、金属外壳，或电路板中集成的金属散热层。

PCB 铜层散热

在某些应用中，可以利用 PCB 的铜层来帮助散热，这前提是 PCB 上有足够的空间，以形成足够大的散热面积。为了确保良好的热传导，器件的金属片（Tab）或焊块（Slug）通常会直接焊接在 PCB 上。

另一种方法是使用带金属底板（如铝或铜）的 PCB，常见于 LED 灯具等场景，其中 PCB 被粘附在一块铝基板上，以加强热传导。 

如果预算允许且设计上有需求，还可以在 PCB 中嵌入一块铜块，称为“铜币（Copper Coin）”。这使得功耗元件可以与其进行热耦合（见图3）。当应用场景为密封结构且无法设置通风口时，这种方案将非常有帮助。 

图 3：在 PCB 中嵌入铜币（Copper Coin）以增强散热性能

添加散热器

散热器和 PCB 通常采用铝或铜材料，通过在总质量与表面积之间取得平衡，实现期望的散热效果。这些结构通常带有多条散热鳍片或尖刺，以最大化与空气的接触面积。

两种材料都具备良好的导热性能（铝为237W/mK，铜为401W/mK），但原材料成本方面，铝的价格约为铜的三分之一。 

为实现良好的热传导，通常需要在功率器件的金属焊盘和散热器之间使用导热垫片或导热膏，并通过螺丝固定。 

要计算使用散热器后的总热阻（RTOTAL），需要知道器件的结到壳体热阻（ RθJC）、散热器的热阻、导热膏或导热垫片的热阻。 

假设 RθJC = 1.7°C/W，散热器为2.67°C/W，导热膏为0.33°C/W，则总热阻为RTOTAL = 1.7 + 2.67 + 0.33 = 4.7°C/W。这套配置的工作温度可通过以下公式计算： （PD × RTOTAL) + TA， 若在环境温度（TA）为30°C 下耗散5W 功率，则器件的运行温度为： (5 × 4.7) + 30 = 53.5°C 

TCI系列的创新解决方案

在某些情况下，仅依靠散热器不足以满足系统要求，特别是在极端工况下。这时可以考虑主动散热，最常见的方式就是集成风扇。 

虽然这种方式合理有效，但风扇本身也可能成为潜在的故障点。当电源转换器依赖强制风冷来维持设备在规定的温度范围内运行时，必须确保风扇在启用时能够正常旋转，甚至建议持续监控其转速。

幸运的是，许多半导体厂商都提供专用的风扇控制器，例如 Microchip Technology 的EMC2301。这类基于 I²C/SMBus 接口的设备不仅易于与微控制器集成，还通常具备闭环控制功能，并支持对风扇状态的实时监控。 

另外，液冷也是一种可选的散热方案。这种方式在电动汽车中非常常见，其中 IGBT、MOSFET 以及功率模块通常被集成在高功率密度的电机逆变器和电源转换器中。 

Traco Power 热设计优势

Traco Power 的产品在热设计方面展现出多维度的技术优势，尤其在高效散热、宽温域适应性和高可靠性方面表现突出。以下是基于其技术资料和实际应用案例的核心优势分析：

创新的传导冷却技术与混合外壳设计

Traco Power 的 TCI 系列传导冷却电源（如 TCI 130、TCI 240、TCI 500U）采用混合外壳结构，结合金属封装与灌封工艺，实现了元器件与外部散热路径的高效连接。这种设计无需风扇即可在 - 30°C 至 + 80°C 的宽温范围内稳定运行，且在海拔 5000 米的高海拔环境中仍能保持性能。例如，TCI 240 在传导冷却条件下可提供 100% 额定功率，效率高达 94%，显著降低了热损耗。此外，TCI 系列的外壳设计支持自然对流和传导散热的灵活切换，适用于多种安装场景。

高功率密度与低发热设计

通过优化电路拓扑和采用先进的同步整流技术，Traco Power 的产品在紧凑封装中实现了高效能量转换。以 TEN30-2411 DC-DC 转换器为例，其 1/4 砖封装可输出 30A 电流，效率高达 95%，在 100°C 环境温度下仍能稳定工作。TXN 系列 AC/DC 电源（如 TXN 1000W）则通过薄型金属外壳和全频电压支持，在保持 92% 效率的同时，减少了散热冗余设计的需求，适用于高密度控制面板等对空间敏感的场景。这种低发热特性不仅延长了组件寿命，还降低了系统整体热管理复杂度。

宽温域适应性与降额管理

Traco Power 的产品普遍具备工业级温度范围。例如，TMF 系列医疗电源可在 - 25°C 至 + 70°C 下运行，而 TSP 系列 DIN 导轨电源支持 - 40°C 至 + 85°C 的极端环境。针对高温场景，部分型号（如 TBLC 90 系列）提供明确的降额曲线，用户可根据环境温度调整负载以确保安全运行。此外，TCI 系列在 + 50°C 以下无需降额，在强制风冷时可扩展至 + 80°C，兼顾了性能与灵活性。

材料选择与可靠性保障

在材料层面，Traco Power 采用高可靠性组件，如固态电容和耐高温封装材料，确保长期稳定性。例如，TCI 系列标配固态电容，可在 70°C 满载条件下持续运行。其热设计还通过了严格的认证测试，如 IEC/EN/ES 60601-1 医疗认证和 ATEX 防爆认证（部分型号），证明了在严苛环境下的可靠性。

系统级热管理优化

除了单个电源模块的热设计，Traco Power 还通过系统级优化进一步提升散热效率。例如，TEP 系列 DC/DC 转换器集成了延长保持时间功能，通过减少外部储能电容的体积和发热，降低了整体系统的热负荷。此外，TXN 1000W 系列的负载共享和冗余功能支持分布式电源架构，避免了单点过热风险，增强了系统的容错能力。

认证合规与行业适配

Traco Power 的热设计充分考虑了行业标准和应用场景需求。例如，TCI 系列符合 OVC III 污染等级要求，适用于高湿度或粉尘环境；TXN 系列通过 EN 55032 B 类 EMC 认证，减少了电磁干扰对热稳定性的影响。在医疗领域，TMF 系列的 2xMOPP 隔离和低漏电流设计（<100μA）确保了在高温高压消毒等场景下的安全性。

这些优势使Traco产品在工业自动化、医疗设备、交通运输等高要求领域中表现出色，成为客户在热管理方面的可靠选择。

如您在进行热管理设计时有任何疑问，欢迎随时联系我们，我们将与Traco工程师共同为您提供专业技术支持。

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