前言
反激電源常用于各種電子設備中，比如充電器、適配器等，它們通過變壓器進行能量轉換。高溫環境可能對電子元件造成影響，特別是像MOSFET、二極管、變壓器這樣的關鍵部件，導致效率變低，甚至可能導致功能失效。還有安全方面的風險，比如高溫可能導致絕緣材料失效，增加觸電或火災的風險。特別是反激電源中涉及的初級和次級隔離，高溫可能破壞這種隔離，導致安全隱患。
此文章后續會分析發熱產生的原因、主要發熱源。為優化熱性能，需從降低損耗與強化散熱雙路徑入手，其中可能與軟硬件和結構都有關系。本文將以反激式充電器為例，分析熱管理的設計要點與工程實踐。
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電源為什么會發熱
反激電源的核心工作原理是利用變壓器（嚴格來說是耦合電感）在開關管導通時儲存能量，關斷時傳遞能量到次級側。這一過程涉及高頻開關、磁場儲能、電流突變等，每個環節都會產生損耗，進而導致發熱。
先給結論，AC輸入低壓時比高壓更容易發熱，具體原因如下討論：
主要發熱元器件
輸入整流濾波電路：
正常來說，AC輸入電壓經過整流橋整流后變成高壓直流電到濾波電容中，這個過程不屬于反激架構中討論的內容，但我們以一個系統/產品的角度來分析熱管理，這部分整理濾波電路也需要考慮在內。前端100/220V高壓交流電經過整流橋，整流濾波變為高壓直流電，全橋整流中，電流流經 ?2個二極管串聯，導致 ?雙倍正向壓降損耗，全橋硅整流?：總 VF?≈ 1.1V。
高頻開關打開階段（能量存儲）：
當 ?MOSFET（開關管）導通時，初級繞組（NP）施加輸入電壓（VIN），電流線性上升，變壓器磁芯儲存能量。此階段的主要發熱來源包括：
1.開關管導通損耗（I2R 損耗）
MOSFET 的導通電阻 ?RDS(on) 會導致 ?I2R 損耗?（P = IP2 × RDS(on)）。
初級電流越大（尤其是大功率或高輸入電壓時），導通損耗越嚴重。
2.變壓器銅損（初級繞組損耗）?
初級繞組的直流電阻（DCR）會導致 ?I2R 損耗。
?高頻趨膚效應（Skin Effect）? 使電流集中在導線表層，增加等效電阻，加劇發熱。
3.磁芯儲能損耗（磁滯損耗）?
磁芯在充磁過程中存在 ?磁滯損耗（Hysteresis Loss）?，能量以熱的形式耗散。
高頻工作時，磁芯反復磁化，損耗更明顯。
高頻開關關斷階段（能量傳遞）：
當 ?MOSFET 關斷時，初級電流突然中斷，變壓器儲存的能量通過次級繞組（NS）釋放，經整流二極管向負載供電。此階段的發熱來源包括：
1.開關管關斷損耗（V-I 交疊損耗）?
MOSFET 關斷時，?漏極電壓迅速上升（VDS）?，而電流下降需要時間，導致 ?V-I 交疊損耗（Switching Loss）?。
漏感（Lleak）會加劇電壓尖峰，增加開關損耗。
2.整流二極管損耗（導通壓降 & 反向恢復）?
次級側整流二極管（如快恢復二極管或肖特基二極管）的 ?正向壓降（VF）? 導致損耗（P = VF × IS）。
?反向恢復損耗（Qrr）?：二極管關斷時，反向恢復電荷（Qrr）會消耗額外能量，導致發熱。
3. 變壓器銅損（次級繞組損耗）?
次級繞組的直流電阻（DCR）和趨膚效應同樣會導致 ?I2R 損耗。
4.磁芯去磁損耗（渦流損耗）?
磁芯在去磁過程中會產生 ?渦流損耗（Eddy Current Loss）?，尤其在高頻下更明顯。
若磁芯材料選擇不當（如普通鐵氧體 vs. 低損耗納米晶），損耗會大幅增加。
?其他損耗導致的發熱
1.漏感能量損耗（RCD 鉗位或諧振吸收）?
變壓器漏感（Lleak）無法耦合到次級，會在 MOSFET 關斷時產生高壓尖峰。
通常采用 ?RCD 鉗位電路 或 ?有源鉗位（Active Clamp）? 吸收漏感能量，但該過程會以熱的形式耗散能量。
2. 輸出電容 ESR 損耗
輸出濾波電容的 ?等效串聯電阻（ESR）? 會導致高頻紋波電流（Iripple）產生 ?I2R 損耗，使電容發熱。
3. PCB 走線電阻損耗
大電流路徑（如初級地、次級整流回路）的 PCB 銅箔電阻會導致額外 I2R 損耗。
4. 控制輸出與反灌的雙PMOS管Rds損耗
5. 電源主控IC，Rcs損耗
6.低PF值，導致前級AC輸入電流變大，AC線損耗加大
為什么AC輸入低壓時比高壓更容易發熱
反激電源在交流輸入電壓較低時更容易發熱，核心原因在于輸入功率恒定的條件下，低壓輸入迫使電流大幅增加，而電路中的各類損耗與電流呈平方或線性關系，導致整體發熱量顯著上升。具體機制如下：
輸入電流倍增
電源需維持輸出功率恒定，輸入電壓降低時，輸入電流必然成反比增加。例如，220V輸入時電流為1A，若輸入降至100V，電流需升至約2.2A才能維持相同功率。此時，MOSFET導通損耗（與電流平方成正比）、變壓器銅損（與電流平方成正比）、二極管導通壓降損耗（與電流線性相關）均會大幅增加。
占空比與峰值電流惡化
低壓輸入時占空比增大，導致變壓器存儲能量的峰值電流升高。例如，占空比從30%增至60%時，峰值電流可能翻倍。更高的峰值電流會加劇磁芯損耗（與磁通密度高次方相關）和漏感能量損耗（與電流平方相關），進一步推高溫度。
寄生參數影響放大
漏感能量損耗（與峰值電流平方正比）、二極管反向恢復損耗（與電流大小相關）在低壓大電流工況下被放大。同時，低壓輸入時電路更易進入斷續導通模式（DCM），導致開關損耗分布惡化。
效率塌縮效應
低壓輸入時效率下降更明顯。例如，220V輸入時效率為90%，而100V輸入時可能降至80%，額外的10%功率損耗直接轉化為熱量，形成惡性循環。
如何提高效率以減少發熱
功率器件優化：選擇更低導通電阻的MOSFET和二極管，可能提到同步整流技術。
?變壓器設計改進：包括繞組結構、磁芯材料選擇，以減少銅損和鐵損。
?控制策略調整：如變頻控制、軟開關技術，以降低開關損耗。
?電路拓撲優化：比如使用有源鉗位反激拓撲，減少漏感損耗。
?散熱設計：加強散熱措施，確保熱量有效散發。
?其他輔助措施：如PCB布局優化、使用低ESR電容等。
?成本敏感型：
同步整流 + 三明治繞法 + 變頻控制 → 效率88-89%。
?均衡性能型：
CoolMOS + 有源鉗位 + 數字控制 → 效率90-92%。
?極致高效型：
無橋PFC+GaN + LLC級聯 + 全數字控制 → 效率>96%。
效率提升的同時，還要考慮散熱
效率提升≠熱量消除
高效率電源常追求 體積壓縮?，導致單位體積內功率密度上升。并且動態負載與極端工況的散熱要求更高。使用更高效的器件后，雖然總損耗減少，但剩余的熱量如果無法自然散逸，若散熱不足，局部高溫仍會導致元器件失效。仍需主動或被動散熱措施。同時，可能在某些工作條件下，如峰值負載，瞬時熱量仍然很高，需要散熱支持。
主動散熱與被動散熱
| 對比項 | ?被動散熱 | ?主動散熱 |
|---|---|---|
| ?定義 | 不依賴外部動力，通過自然對流、熱傳導或輻射散熱 | 依賴外部能源（如風扇、液冷），強制對流散熱 |
| ?典型方案 | 散熱片/鰭片、熱管、PCB鋪銅、金屬外殼導熱 | 軸流風扇、離心風扇、液冷系統、熱電制冷（TEC） |
| ?散熱能力 | 較低（通常≤10W） | 高（可達10kW+） |
| ?噪音 | 無 | 30~50dB（風扇噪音） |
| ?能耗 | 零額外能耗 | 需額外功耗（風扇1~10W，液冷系統更高） |
| ?可靠性 | 高（無運動部件） | 中（風扇壽命約2萬~5萬小時，需維護） |
| ?體積/空間需求 | 較大（依賴散熱面積） | 較小（緊湊設計） |
| ?成本 | 低（僅材料成本） | 中高（含風扇、控制電路及維護成本） |
| ?適用場景 | 低功率（如5~100W）、靜音需求（醫療、家電） | 高功率（>50W）、密閉環境（服務器、電動車充電） |
| ?維護需求 | 無需維護 | 需定期清灰、檢查風扇狀態 |
| ?溫度控制精度 | 依賴環境溫度，調節能力弱 | 可動態調節（如PWM調速、液冷流量控制） |
抽風（排氣式）與吹風（送風式）散熱
| 對比項 | ?抽風（Exhaust）? | ?吹風（Intake）? |
|---|---|---|
| ?工作原理 | 風扇位于散熱器出風口，將熱空氣抽出 | 風扇位于散熱器進風口，將冷空氣吹入 |
| ?氣流組織 | 熱空氣定向排出，避免機箱內亂流 | 冷空氣直接沖擊發熱體，局部散熱強 |
| ?散熱效率 | 整體散熱均勻，適合多熱源場景 | 局部散熱更強，適合集中高熱源 |
| ?防塵能力 | 機箱內部形成負壓，易從縫隙吸入灰塵（需防塵濾網） | 正壓設計可減少灰塵進入（需保持進風口濾網清潔） |
| ?噪音表現 | 風扇需克服風道阻力，中高頻噪音可能更明顯 | 氣流直達散熱片，風噪更集中（但可通過降速優化） |
| ?適用場景 | 1. 電源整體散熱 2. 多發熱元件分散布局 | 1. 高密度發熱體（如功率器件散熱器） 2. 需快速降溫的局部區域 |
| ?安裝復雜度 | 需確保出風口通暢，風道設計要求高 | 需對準發熱源，避免氣流遮擋 |
| ?維護成本 | 需定期清理內部積灰（負壓吸塵） | 需清潔進風口濾網（正壓防塵但濾網易臟） |
風扇散熱控制策略
由于我對熱管理不專業，這里就主要說一下NTC監測溫度和風扇控制策略
這里我列舉幾種常見的充電器風扇控制策略：
1.電池包插入時轉，待機時不轉?
2.充電時就轉，不充電不轉?
3.電池包溫度超過50℃轉，低于45℃不轉?
4.增加充電器NTC，充電器溫度超過50℃轉，低于45℃不轉?
5.增加充電器NTC，充電器溫度超過50℃轉（超過60℃風扇轉動占空比為100%，45℃為40%，依次線性變化），低于45℃不轉，超過90℃停機
| 策略 | 安全性 | 能效 | 靜音 | 成本 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | ★★☆ | ★☆☆ | ☆☆☆ | ★☆☆ | 低端產品 |
| 2 | ★★☆ | ★★☆ | ★☆☆ | ★☆☆ | 基礎機型 |
| 3 | ★★☆ | ★★☆ | ★★☆ | ★★☆ | 電池保護型 |
| 4 | ★★☆ | ★★☆ | ★★☆ | ★★★ | 中端產品 |
| 5 | ★★★ | ★★★ | ★★★ | ★★★ | 高端機型 |
幾種策略各有其側重點，包括安全性、能效、成本、噪音、硬件復雜度、用戶需求等。
可以再考慮加入多傳感器融合（綜合考慮AC輸入電壓、充電電流、充電功率、充電器實時溫度、環境溫度等等）。具體不再展開。
結語
在電源的設計中，熱管理與熱設計是保障系統可靠性和使用壽命的核心環節。發熱不僅會導致效率下降、器件老化加速，還可能引發安全隱患（如電容爆裂或PCB燒毀）。通過對主要發熱元器件（如MOSFET、變壓器、整流二極管）的損耗機制分析，結合效率優化措施（如同步整流、軟開關技術、低損耗磁芯）和散熱設計（散熱鰭片、風扇選型），可顯著降低溫升并提升系統穩定性。
關鍵設計策略總結：
- ?根源降耗：優先通過器件選型（GaN/SiC）、拓撲優化（有源鉗位）和工藝改進（三明治繞線）降低損耗，減少發熱源。
- ?被動散熱：在功率≤65W的便攜設備中，采用鋁合金散熱片、導熱硅脂與PCB鋪銅設計，兼顧靜音與緊湊性。
- ?主動散熱：高功率場景（如100W+）引入智能溫控風扇，通過PWM調速或NTC反饋動態平衡噪音與散熱需求。
- ?溫度監控與保護：增加NTC實時監測關鍵節點溫度，配合過溫保護電路（如 hysteresis 控制）防止熱失控。
- ?系統化熱仿真：利用ANSYS Icepak等工具優化風道布局與熱分布，避免局部熱點。
未來趨勢：隨著寬禁帶器件（GaN、SiC）的普及和封裝技術進步，充電器的功率密度將持續提升，熱管理將更依賴多物理場協同設計（電-熱-磁耦合優化），而液冷散熱與相變材料可能在小體積超快充領域實現突破。
最終，熱設計需在 ?效率、成本、體積與可靠性?之間找到最佳平衡。唯有將熱管理貫穿于電源產品設計的全生命周期，才能實現高性能與長壽命的兼得，為用戶提供安全、高效且靜音的充電體驗。
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