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作者:黃喻鴻(2006-07-29);推薦:徐業良(2006-08-01)
附註:本文為九十五學年度元智大學機械工程研究所黃喻鴻碩士論文「運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計」第一章。

第一章 研究背景與目的

1.1 研究背景與目的

隨著網際網路的蓬勃發展和多元化的特性,伺服器與個人電腦的需求也逐漸的增加,而提供電腦產品穩定電壓的電源供應器(Power Supply Units)更是不可或缺的重要元件。電源供應器係利用功率元件(Power Device)將電源以高頻切換方式,由AC電源轉換成所需之DC電源輸出,在轉換過程中,功率元件因能量損耗而發熱,過熱將導致功率元件的性能下降甚至損壞。為了避免過熱現象發生,通常採取之解決方案包括提高電源轉換效率以減少能量損耗、降低操作電流以減少熱能的產生、以及利用散熱片以強制對流方式進行直接散熱。在上述解決方案中,提高電源轉換效率需要較高之技術門檻,操作電流亦為產品規格無法任意更改,因此利用散熱片輔以強制對流進行散熱已為主要之技術手段。圖1-1所示為常見之功率元件與散熱片結構,由圖中可以看到功率晶體除與印刷電路板之線路作電訊號之連接外,亦直接裝置於鋁擠型散熱片上,作為散熱之用。

1-1. 功率元件與散熱片之結構圖

一般使用於電腦或伺服器上之散熱片,依據製程的不同大致可區分為8類【莊嘉琛,民92】:鋁擠型、鋁壓鑄、改良式鋁壓鑄、接合型、可撓性製程、鍛造製程、刨床式製程、以及金屬粉末射出成型,各製程之散熱片優缺點如表1-1所示。散熱片所使用之材料仍以鋁合金及銅合金為主,由於鋁合金材質具有成本低、易加工的特性,使得其於散熱片上之應用相當普遍,於電腦或伺服器之電源供應器使用上之散熱片,即為鋁擠型散熱片。

1-1. 一般使用於電腦或伺服器之散熱片優缺點比較表 【莊嘉琛,民92

散熱片製程

優點

缺點

鋁擠型

成本低、開發期短、適合大量生產

細長比低(<15),形狀單純,散熱效果差

鋁壓鑄

可做複雜形狀,散熱面積大,適合於不易散熱空間

開發成本高、時間長、模具費高,散熱效果較鋁擠型佳,較不適合類型變化快速之電子產品

改良式鋁壓鑄

可插入超薄之銅或鋁鰭片,細長比高,適用不同材料之接合

量產性較差,材料間存在有介面阻抗,會影響散熱效果

接合型

細長比高,重量輕、散熱面積大,可適用不同材料之接合

量產性及可靠度較差,材料間存在有介面阻抗之問題

可撓性製程

細長比高、重量最輕、散熱面積大,可適用不同材料之接合

形狀單純,製程較多,材料間易存在有介面阻抗

鍛造製程

細長比及材料緻密度高,可變化形狀

模具費及設備費高,需二次加工

刨床式製程

細長比高、散熱面積大、底座與鰭片一體成型

量產性較差、廢料多形狀單純,材料會有應力集中及斷裂之問題

金屬粉末射出成型

一體成型,適用於高導熱之銅材料

原料成本高、製程良率低

鋁擠型散熱片係利用高壓使熔融之鋁液透過擠型模具,產生連續等截面之初胚,再經過二次加工程序,將初胚裁製成散熱片。雖然鋁擠型散熱片因為製程限制使其深寬比較差、造型較為單調,導致散熱效果不若其他製程之散熱片,然而在開發成本較低,且可大量生產的利基之下,仍使鋁擠型散熱片為市場主力產品。如圖1-2所示為一常見使用於電源供應器上之鋁擠型散熱片產品。

1-2. 鋁擠型散熱片

使用於電源供應器之散熱片設計,在考量空間與散熱效率下,都採用多顆功率晶體鎖附在一片散熱片上,形成多點熱源之散熱裝置。電源供應器中,功率晶體與散熱片之固定方式有別於個人電腦中之CPU散熱片,CPU散熱片是以水平方式貼附在單顆CPU晶片上,而電源供應器中則是散熱片與焊接於電路板(PCB)上之功率晶體以垂直方式擺置,如圖1-3所示。功率晶體位置須依據電路佈局來決定,通常怱略了佈局位置與散熱片散熱效果間之關係,更由於電路佈局決定了功率晶體的位置,使得散熱片設計受到了空間上的限制。

1-3. 散熱片與功率晶體之鎖附方式

另一方面,工程師在設計散熱片時,通常憑藉著經驗來估算散熱片大小,如此往往造成設計徧差,不僅造成成本的浪費,更是時間的浪費。近年來已有些公司導入CAE工具進行熱場分析,以為工程師設計時的參考,然而於實務應用上之經驗,CAE的加入使工程師由實體的嘗試錯誤(trial and error),轉而為利用CAE進行嘗試錯誤,雖然開發成本與時間均因此減少,卻仍缺乏系統化的設計過程。

本研究之目的即在針對電源供應器中使用之鋁擠型散熱片進行設計分析,研究中將利用最佳化設計方法,討論一多點熱源狀況下,鋁擠型散熱片之最佳化設計,並利用最佳化設計中之設計變數靈敏度分析(sensitivity analysis)與設計參數之參數分析(parametric analysis),建立運用於電源供應器之鋁擠型散熱片之設計準則,以期提供設計者更直接有效的設計建議。

1.2 論文架構

本論文第二章進行電源供應器之熱阻分析,討論發熱功率晶體、散熱鰭片、及空氣之間的熱傳導與熱對流熱阻,建立散熱片上功率晶體溫度方程式。針對熱源位置影響之討論,本論文中引進了因熱源位置導致之擴散熱阻修正係數,並將之運用於多點熱源狀況下,藉由比較熱阻方程式與模擬分析結果之差異,提出晶體溫度修正係數,建立多點熱源下之功率晶體溫度方程式,以為後續散熱片最佳化設計之基礎。

第三章中運用第二章所建立之功率晶體方程式,進行多點熱源散熱片之最佳化設計。本章中探討多點熱源散熱片在設計上所需考慮的要素,提出改善散熱片散熱效能的方法,並以設計者的角度,從散熱片設計上可變動的項目轉換為設計變數與設計參數,定義設計參數之參數值及設計變數之範圍,再由設計需求導引出目標函數與限制條件,加入散熱片的製程條件限制及散熱片與功率晶體的組裝限制後,列出多點熱源散熱片設計的數學模型。由於最佳化數學模型具有一非線性方程式,並含有一整數變數,因此本論文中,採用混合整數非線性規劃法(MINLP, Mixed Integer Nonlinear Programming)求解最佳解。

本論文第四章中,針對最佳化設計結果,進行設計變數之靈敏度分析與設計參數之參數分析。靈敏度分析部分,主要針對散熱片之尺寸進行討論,以瞭解最佳解是否強健。設計參數則針對採用不同風扇設計、置換絕緣片、以及運用不同封裝面積下,將衍生之晶體溫度變化做討論。

最後於第五章中進行本論文之結論與未來展望,對於本研究所探討之多熱源散熱片最佳化設計,本章中整合歸納出多熱源散熱片之設計準則與重點,以供設計人員參考,並對未來研究方向之期望作一具體建議。

參考文獻

莊嘉琛、劉國祥,“電腦用高效能可撓性散熱片節能研究”,民92,經濟部能源局能源技術節約報導,第50期。