大功率通信电源是一种特殊定制的电源，主要分两大类别：标准尺寸规格电源和非标准尺寸规格电源。DC/DC(-48V)砖形电源是标准规格尺寸的电源，常应用在通信系统单板中;而AC/DC 电源、DC/DC(-48V) 电源是非标准规格尺寸的电源，它们常常以独立的模块应用在核心固网络通信系统、无线基站通信系统、无线直放站通信系统、光纤通信系统等现代通信设备中。

　　通信设备对大功率通信电源提出非常苛刻、严格的性能要求：① 要求大功率通信电源的工作电压范围较宽(AC/DC 电源要求为90V ～ 275V，DC/DC 电源要求为36V ～ 75V)，输出功率大(几百W 到几kW，甚至上万W)，体积小，功率密度非常高，发热的密度非常高;② 大功率通信电源工作条件非常恶劣，通常需要在65℃环境温度下工作(甚至有些需在85℃环境温度下工作)，功率器件的允许温升又不能超过10℃，功率器件容易过热而损坏(如电解电容易过热而提前失效)。因此，在开发这类大功率非标准通信电源时，散热设计一直是一个非常棘手的技术难题。例如，一个输出800W的盒式AC/DC 通信电源，其转换效率为92%，则有64W 的电能转换成热能，若不加散热措施，盒式AC/DC 通信电源会因过热而损坏，所以必须进行有效的散热设计，才能保证通信电源在恶劣环境下长期、可靠地运行。另外，通信电源中的散热设计不再是单个领域方面的技术问题，同时涉及到生产工艺、安全规范、成本、器件可靠性等多方面的技术问题，所以有必要对这些技术问题进行一一探讨。本文给出了大功率通信电源的变压器、PFC 电感、电解电容的散热设计方案，并对它们的工艺、安规、散热性能进行了详细的分析和对比。

　　2 非标准尺寸规格电源分类

　　非标准尺寸规格的电源，从产品类型来分，可以分为AC/DC 电源、DC/DC(-48V) 电源、DC/DC 非隔离电源等;从外观来分，则可以分为裸露敞开式电源、盒式电源及密封式电源。这些电源的尺寸都是客户(通信制造商)定制的，尺寸大小不一样，指标要求也各异，散热设计变得非常复杂和多样化。下面将对这类电源变压器、PFC 电感、电解电容的热设计需考虑的技术难题一一介绍。

　　3 主变压器散热设计

　　变压器在AC/DC 和DC/DC 电源中起到了功率转换作用，它是AC/DC 和DC/DC 电源中的主要发热器件之一。变压器的功率损耗主要有铁损(包括磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗)和铜损(包括直流损耗和交流损耗)，这些损耗会直接引起变压器发热，导致工作温度急剧上升，因此在实际应用时，需要特别关注其散热设计。

　　(1)散热设计的要求

　　① 变压器要选用合适的磁芯，确保满足变压器功率要求，配套的骨架在体积尽量满足电源内部空间要求和变压器在通风散热上的要求。

　　② 变压器中铜线的截面积一定要满足通流能力的要求。对于高频磁性材料引起的损耗，要尽可能避免趋肤效应造成的影响，可采用多股细漆包线并绕的方法来解决。减小铜线的趋肤效应，则可以减小铜损，降低变压器的温升。

　　③ 变压器绕组中一般会嵌入一个热敏电阻，用于监测变压器内部的温度是否超标。一旦变压器内部的温度超标时，热敏电阻的阻值发生变化，产生相关告警信号强迫电源关机，避免高温烧毁变压器。

　　④ 当AC/DC 电源输出功率超过400W 时，在PCB 设计时，需对变压器的正下方的PCB 板作开槽处理，并在PCB 开槽位置添加导热垫片，与底部的金属底壳直接接触，将变压器磁芯上的热量通过导热垫片传递到金属外壳。导热垫片是一种高导热性能软介质材料组成，可以填充磁芯和金属底壳之间的间隙，减小其接触热阻，另外还可以起到电气隔离作用，防止PCB 初次级绕组通过磁芯与外壳发生电击穿。导热垫片在实际安装时，一定要紧贴磁芯和金属底壳，减小磁芯到金属底壳的热阻。图1(a)、图1(b) 分别给出了变压器正下方的PCB 板作开槽的正面图和侧面图。加装导热垫片后，变压器到环境温度的热阻主要由磁芯热阻、导热垫片热阻、金属底壳热阻、空气热阻组成，其散热路径分为两部分：

　　① 变压器(热源)→导热垫片→金属底壳(热传递以传导为主);

　　② 金属底壳→环境空气(热传递以对流为主)

　　(2)关于安规

　　变压器初级/ 次级管脚到变压器的磁芯有严格的安规要求：① AC/DC 电源初次级压差非常大，所以变压器正下方PCB 板开槽位置不能与变压器初次级的管脚、铜皮太近，需满足其电气间隙的安规要求，防止变压器初级高压部分通过磁芯与次级低压部分发生严重的电击穿;② 盒式AC/DC 的金属外壳接大地，而初级/ 次级到大地都有一定的安规要求(尤其是初级电压非常高)，所以在PCB 布局时，变压器磁芯要与金属外壳保持一定的电气间隙，否则会带来初级/ 次级到外壳安规的问题(初级高压通过磁芯与金属外壳发生电击穿)。DC/DC 电源因输入工作电压较低(-48V 通信电源最高不能大于100V，一般≤ 75V)，它的初次级的安规要求不严格，因此变压器正下方的PCB 板在开槽添加导热垫片时，不用考虑电气间隙的安规要求。

　　(3)影响变压器散热的因素

　　影响变压器的散热因素主要有：整个电源放置方式(水平方式、垂直方式，影响其自然对流的散热效果)，强风对流的风速大小、强风的工作方式(吹风、抽风)、导热垫片的导热系数、导热垫片的厚度、磁芯及导热垫片与金属底壳的接触是否紧密、磁芯的尺寸大小(影响与导热垫片接触面积)、骨架的尺寸大小(影响绕组的紧密程度，从而影响绕组的散热密度)、金属底壳的材料、金属底壳的厚度等等。而这些因素又与实际应用条件有关，所以功率器件到散热器之间的热阻也将取决于实际装配条件。图1(c) 给出了变压器到环境温度的热阻模型。

　　4 AC/DC 有源FPC 电感散热设计

　　在大功率AC/DC 电源中经常会用到有源FPC 进行功率因数进行校正，提高AC/DC 电源的功率因数。有源FPC 电感可以采用AC/DC 主变压器的磁芯和骨架绕制而成，也可以采用圆环形磁芯绕制而成。只不过圆环形磁芯绕制比AC/DC 主变压器的磁芯和骨架绕制复杂。

　　采用AC/DC 主变压器的磁芯和骨架绕制而成的FPC 电感，一般用在功率大于600W 以上AC/DC 电源中。具体的散热方式：在FPC 电感正下方的PCB 作开槽处理，加导热垫片与金属底壳接触进行散热，这与上述电源变压器的散热方案相同。

　　采用圆环形磁芯绕制而成FPC 电感，是将PFC 电感直接安装在金属底壳上，PFC 电感与金属底壳通过导热垫片来传热，一般用在功率小于600W 的AC/DC 电源中。因磁芯、导热垫片与金属底壳组合成一个整体，因此，可以压合很紧密，磁芯更靠近金属底壳，所以散热效果更好(与上述方案比较)。具体的散热方式如下所述。

　　① PFC 电感、导热垫片与金属底壳通过金属镙钉压合，固定成一个整体，图2(a)、图3(b) 分别给出了它的平面图示和截面图示。

　　② 在镙帽与PFC 电感之间需添加硬垫片和软垫片，因镙帽的接触面积较小，而硬垫片接触面积较大，它们两者结合，可增大与PFC 电感接触面积，便于压合PFC 电感，否则，镙帽无法固定PFC 电感。硬垫片可以采用金属垫片制作，也可以采用玻璃纤维(普通FR-4 材料的PCB 板)垫片来制作，采用金属垫片制作散热效果更好，但成本高;采用玻璃纤维(PCB板)垫片制作，成本非常低，几乎不要增加成本，下面作介绍。软垫片是夹在硬垫片和PFC 电感之间，是防止硬垫片在压合时将PFC 电感绝缘漆磨损掉，另外，还可以降低PFC 电感到硬垫片之间传递热阻。软垫片可以采用橡胶制作，也可采用导热垫片，但导热垫片的导热效果最好。③ PFC 电感与金属底壳需增加导热垫片，此导热垫片的导热系数一定要高，这样才能减小PFC 电感到金属底壳的传导热阻，增加散热效果。

　　④ 金属底壳需开圆锥形的通孔，用于安装沉头镙钉。选用沉头镙钉(带圆锥形头的镙钉)，安装镙钉后，镙钉不会突出金属底壳的平面，不影响底壳的平整度。

　　⑤ 由于这种电源的器件密度非常高，所以在PCB 板设计时，需在PCB 板上开一个圆弧形的缺口位置，留出空间用于安装PFC 电感。利用PCB 板挖掉缺口的材料可以设计一个圆形硬垫片，这样硬垫片不用单独增加成本。采用PCB 制作的硬垫片，最好双面覆铜皮，顶层和底层铜皮用过孔连接，这样热传导的散热效果最佳。

　　⑥ 因盒式AC/DC 的金属外壳接大地，而PFC 电感属于初级高压部分，它到大地有一定的安规要求，所以在PCB 布局时，PFC 电感要与金属外壳保持足够的电气间隙，否则会带来PFC 电感到金属外壳安规的问题，例如因电气间隙不够，

　　PFC 电感被击穿烧毁。

　　PFC 电感的散热路径是：PFC 电感磁芯(热源)→导热垫片→环境空气。影响PFC 电感的散热因素主要有：整个电源放置及功率器件安装方式(水平方式、垂直方式，影响其自然对流的散热效果)，强风对流的风速大小、强风的工作方式(吹风、抽风)、导热垫片导热系数、导热垫片厚度、磁芯及导热垫片与金属底壳的接合是否紧密、紧固件的压力、金属底壳的材料、金属底壳的厚度等等。PFC 电感到环境温度的热阻主要由磁芯热阻、导热垫片热阻、金属底壳热阻、空气热阻组成，图2(c) 给出了PFC 电感的热阻模型。

　　5 铝电解电容器散热设计

　　5.1 本身产生的热量影响其使用寿命

　　在散热设计时要对铝电解电容的寿命进行估算。铝电解电容器在开关电源中的作用是储能和滤除电源中的纹波，因其内部存在等效串联电阻(ESR)，工作时叠加纹波电流时，会引起铝电解电容器发热，从而影响铝电解电容器的寿命。电源中的纹波电流越大，铝电解电容器内部发热越严重，使用寿命越短。所以，在设计时，需要考虑电源纹波电流的大小、铝电解电容器的ESR，并合理计算铝电解电容器的使用寿命。寿命预估不可或缺的因素如下：频率(F)、纹波电流(R.C)、温度(T)、加速因子(k)。上述因素将决定电解电容器的预估寿命，计算公式见式(1)。实际R.C ≧ 1.4 ↑ × 额定R.C，计算出的寿命仅供参考。

　　式中符号的含义：L2 —实际使用下电容器预估寿命值(h);

　　L1 — 厂商保证之寿命值(h);

　　T1 — 电容器最高工作温度(℃ );

　　Tx — 实际应用下的环境温度(℃ );

　　ΔTx — 因纹波电流所产生的温升(℃ );

　　Iin — 实际应用下的纹波电流(mA);

　　Is — 目录上的额定纹波电流(r.m.s) (mA);

　　k — 加速因子。

　　5.2 恶劣环境影响其使用寿命

　　铝电解电容器在大功率通信电源中属于热敏感器件，如果PCB 布局将其与发热的大功率器件(如立式散热的功率MOS管、变压器)靠得太近，容易受到发热器件的高温炙烤，会导致铝电解电容器的电解液干涸而提前失效，大大缩短它的使用寿命，这是热设计必须要关注的要点。举例：TO-220 封装的MOFET 采用立式散热容易向两侧倾斜，影响周围器件的布局，倾斜严重时还会造成器件的金属衬底与其它器件的短路。如周围有铝电解电容器，一定要在TO-220 封装的功率器件底部增加一个塑料固定夹，固定其不会向两边摆动，同时尽量将铝电解电容器远离立式散热的MOFET(大于3mm)，防止MOFET 炙烤电解电容器，

　　6 结束语

　　大功率通信电源是一种特殊定制的电源，具有体积小、输出功率大、功率密度高、工作环境恶劣，加上还要考虑生产工艺和安规等相关因素，所以散热设计变得异常的复杂和棘手。论文分析了大功率通信电源(非标准尺寸电源)变压器、AC/DC 有源PFC 电感、电解电容器恶劣的应用环境，给出了相关散热设计方案，以满足大功率通信电源在高温、高压等恶劣条件下的应用要求。并对散热方案的工艺、成本、散热性能、安规等进行了详细分析和对比。