快速充电器的热管理

发布日期:2021-05-17 11:14:55  作者:鸿艺电子  阅读量:

快速充电器的热管理


1 充电器中的热是如何产生的?

快速充电器中,主要的发热元件有整流桥、开关管、变压器、次级同步整流管。其中整流桥随着充电器输出功率越来越高,整流桥压降固定,电流提升,损耗增加,需要辅助散热降温,现在许多产品已使用两颗整流桥并联均分热量的方式降低单个器件损耗功率,从而降低温升。

高集成一体化初级芯片,随着功率水平的提升,虽然原厂会相应增加散热面积,但功率水平的提升带来的发热量增加,芯片散热问题仍旧越来越严峻,需要对其进行特别处理。

  

2 电子产品温度设计标准

鸿艺电子长期为智能终端、汽车电子、安防监控等产品提供散热整体解决方案,根据以往的项目经验以及资源汇总了部分消费类电子的表面温度要求,如:智能手表、户外运动相机、教育平板电脑、警用执法仪、头戴式VR等。这些要求并不是严格的标准,而是多数企业根据自身产品特征和用户群体的反馈制定的,可以用来参考。

 

表1 鸿艺电子过往所设计产品外壳温度要求汇总

终端产品类型

温升测试场景

产品应用当中人体与之接触时间

表面温升要求

(@25℃环境)

智能手表

2G最大功率通话

屏幕偶尔接触

底壳长期接触

屏幕≤39℃~45℃

底壳≤39℃~40℃

户外运动相机

高分辨率拍摄

整机短期接触

外壳≤60℃

教育平板电脑

芯片压力负载测试

整机短期接触

外壳≤39℃

警用执法仪

5G实网视频传输

整机长期接触

外壳≤43℃

头戴式VR

高清VR视频播放

整机长期接触

面壳靠近人脸≤39℃

面壳远离人脸≤45℃

快速充电器的热管理(图1)

 

不同品类的产品图

 

目前针对产品外壳温度有明确提出要求的是国际电工委员协会编写的《IEC62368标准》其中关于产品可触及温度控制建议如下图:

快速充电器的热管理(图2)


 

IEC推荐的可触及表面温度控制建议

IEC根据人体可触及表面温度控制时间划分了三个等级:TS1表示的是控制的比较优秀的,第三方认证机构会认证为TS1级别;TS2是产品是能使用的,但认证为TS2级别;TS3则未给予直接评价。

目前,充电头表面温升业内并无强制规定。结合IEC标准与鸿艺过往设计数据(如表1),快速充电头这类高发热量且与人体接触时间较短的产品,在保证内部器件正常工作温度的条件下,建议将快充电头的外壳温度标准规定为≤60℃。 

3 快速充电器的热问题

充电器在工作的过程中会耗电产热,产生的热量要散失到环境中,就需要温差作为驱动力,因此充电器的内部器件和外壳温度都会高于周围环境。对于充电器而言,外壳的温度要求是一种体验性的,鸿艺建议的温度标准是60℃,温度超过这一数值并不会导致产品无法使用,只是在插拔过程中手感恶劣,甚至造成烫伤。充电器内部的整流桥、初级开关管、次级同步整流管及变压器则是功能器件,当温度控制不当,器件可能无法正常工作,导致充电功率下降甚至充电器直接坏掉。通常,当前常用的充电器内的元器件极限工作温度范围为:

l 整流桥器件工作温度范围-55~+150℃

l MOS管工作温度范围-40~+150℃

l GaN器件工作温度范围-55~+150℃

l 充电器内部电解电容工作温度范围-40~+105℃

l 变压器通常在100度左右,少数可达125℃

 

根据传热学的机理,不同冷却方式的冷却效率有所不同。下图是各种传热方式在不同温升下的传热能力。多数现有的有线充电器并没有内置风扇,更是极少有使用液冷控温的,因此,充电器的散热能力可以用下图中的自然散热来粗略评估。

快速充电器的热管理(图17) 

不同散热方式表面热流密度对应的温升曲线示意图

按照之前规定的快充充电头的温度标准规范,当环境温度为25℃,充电器表面达到60℃时,表面温升为60 – 25 = 35℃,自然散热可以做到的最大热流密度为0.02W/cm²~0.04W/cm²。

 

我们以市面上某款快充充电器为例,大致推断充电器的散热风险。该充电器充电功率为65W,外观尺寸为77mm*33mm*37mm,通过计算可以得到产品的表面积为132.22cm²,按照表面温升35℃进行计算,求得产品的可解热功耗为P=0.04*132.22=5.29W,当前一般充电器的效率在90%~92%之间,65W的充电功率,其中转化成热能的有5.2W~6.5W。可见其散热非常临界。通过对产品内部进行器件布局优化、散热路径设计可以有效实现温度均化、降低局部温度,但整体温度实际很难控制到60℃以内。而当前许多充电器的充电功率已经超过了100W,其散热更是面临更大挑战。

这种情况下,如果要保证温度体验,就需要牺牲工作性能、把产品尺寸做大、牺牲器件寿命等作为代价。鸿艺电子解决过大量自然散热产品的散热难题,得出的结论是:在实际产品当中,如果结构设计、硬件设计已定,要想提升自然散热产品(没有风扇、水泵等动力部件,充电器是典型自然散热产品)的温度体验是比较困难的,主要是应用手段有限,因而自然散热产品的热设计综合性更强,需要在产品设计前期介入,通过与结构、硬件、软件、ID的配合,以及热设计部门自身对高导热、隔热等材料的精选和性能测试,才能获得产品功能和体验的最佳平衡。

4 充电器中的热设计物料

充电器的热设计包含两个方面的工作:

1) 热设计的实际工作就是采用适当、可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运行的可靠性;

2) 考虑产品可触及表面的温度的控制,避免表面温度过高影响用户的使用体验

 

温度对于电子产品性能的影响极为关键,为了对电子产品的温度进行有效控制,需要实现热设计的目标将产品产生的热量通过一定的方式转移到合适的位置上去,从而达到控制产品温度表现,完成这样有效的散热方案则需要相应的材料与散热部件设计作为支撑,才有办法实现。鸿艺电子长期从事电子产品热解决方案研究,自主研发生产多类热管理材料。其中适合快速充电器的材料有如下几类:

l 导热界面材料:导热硅胶片、导热凝胶

  

快速充电器的热管理(图18)       快速充电器的热管理(图19)

    导热硅胶片                                                                       导热凝胶

鸿艺电子自主研发生产如下系列的导热衬垫:

1) 常规导热硅胶片(导热系数1~6W/m.K)——兼顾导热性能、操作便捷性

2) 超柔导热硅胶片(硬度低于Shore00 40°)——减小芯片压力

3) 高导热硅胶片(导热系数≥7W/m.K)——高效热传递

4) 导热吸波复合材料(导热系数1~6W/m.K)——兼顾导热与吸波性能——未在图中标出

快速充电器的热管理(图20) 

鸿艺电子导热硅胶片产品系列

 

导热衬垫在电子产品中应用极为广泛,充电器中也在大量使用。其优异的导热性、绝缘性和柔软度能够在绝大多数充电器中为发热器件和外壳之间构建热通路,降低内部器件温度。

快速充电器的热管理(图3)

 

充电器内的导热垫片

 

导热凝胶是一种能够替代导热垫片的界面材料,与相同导热系数的垫片相比,凝胶填隙能力更强,因而能实现更低的热阻,传热效率更高。鸿艺电子已稳定量产如下产品:

1) 单组份导热凝胶——操作便捷,低装配压力,导热系数2~6W/m.K

2) 双组分导热额凝胶——高可靠性,低装配压力,导热系数2~5W/m.K

 

快速充电器的热管理(图4)



l 石墨片、铜箔及其复合产品

石墨具备极高的水平方向导热系数(常规的0.025mm的人工石墨水平面上的导热系数为1500W/m.K),能够有效消除局部热点,强化面散热效率,目前在消费电子领域应用广泛。鸿艺电子拥有完备的模切产线,能够根据产品特征需求,定制各种厚度、形状的石墨材料。还可以和铜箔、隔热片等其它热管理材料进行复合,最大程度利用产品内部空间,强化换热。

快速充电器的热管理(图9) 

 

鸿艺电子的产品还有导电导热薄膜、隔热片、储热片等热管理材料,也可为客户提供热管、VC、散热模组等五金散热部件。但充电器内结构紧凑,往往没有空间也没有必要施加这些物料。此处未予介绍。

5一个充电器的热设计优化案例

充电器是一种典型的电子产品,其热设计要嵌入到产品的研发流程中,通常分为如下几个步骤:

1.      产品需求分析,获取产品的基本尺寸、发热量、大体布局、温升要求等大体的基本信息对产品的热风险做一个大概的评估,确认项目的可行性

2.      仿真计算/方案评估,详细设计,确定堆叠方式和主要的部件材质、形状等,选择可行的散热方案

3.      样机完成以及测试验证,通过热测试检查产品是否满足既定的温度需求,检查既定方案优化是否有可以优化的地方

4.      回归分析,通过热测试的结果反推前期的仿真计算与方案的评估的结果,累计相关的数据,为下一代或者其他的产品的研发做相关的经验累积

  快速充电器的热管理(图10)

东莞市鸿艺电子有限公司长期从事电子产品散热方案设计工作,严格按照上述流程,通过理论推算、仿真模拟及整机测试提供科学合理的热管理方案。同时,公司自主研发、生产导热硅胶片、导热凝胶等导热界面材料,隔热均热片、隔热储热片等模切复合片材,导热石墨泡棉、导电导热泡棉等创新复合热管理材料,能够为客户提供一站式散热解决方案。

多数快速充电器是典型的封闭式自然散热产品,内部元器件的温度控制依赖于内部传热路径的优化,外壳温度的表现,则依赖于均温性的设计。虽然当设备体积、面积已定,其散热极限就以确定,但不同的热设计手段依然会带来极大的散热表现差异。

 

一个充电器的热测试优化案例

 测试前的准备

1 收集产品的温度要求,测试环境温度,测试时需要运行的负载程序等

2准备好相关的测试设备,数据采集仪、红外成像仪、功率计、热电偶线、环境实验箱、热电偶固定胶水等等

测试前的准备工作完成之后,就可以开始进行相关的温升测试了

 

本次测试挑选了市面上常见的65W快充作为测试样本进行热测试内容

 

测试输入信息如下:

充电器规格:32mm*37mm*72mm,体积

充电器功率为:标称65W,实际测试负载为66.2W

测试环境温度设定:25℃标准环境

测试环境设置:无风恒温箱

供电负载设备:昂盛达电源设备

测试地点:东莞市鸿艺电子有限公司热测试实验室

快速充电器的热管理(图11) 

自然对流测试环境实验箱

快速充电器的热管理(图12) 

红外成像仪

快速充电器的热管理(图13) 

数据采集仪组件

快速充电器的热管理(图14) 

被测充电器

快速充电器的热管理(图15) 

电源负载

 

原始状态运行60min的红外成像云图

快速充电器的热管理(图16) 

红外摄像仪测温精度影响因素众多,通常只用来反馈表面温度分布,用于寻找高温点(但误差也不会太大,如上红外图还是可以立即得出结论:运行60min后,充电器外壳大片区域超过60℃,个别点甚至超过80℃)。结合上图,在高温区域粘贴热电偶,从而精准测温。

快速充电器的热管理(图17) 

 

温度曲线:

快速充电器的热管理(图18) 

在测试区间内部捕捉了表面温度达到48℃与60℃分别需要的时间,对应了开头提到的温升标准。达到人体较长时间触摸可接受的温度点48℃,只能工作11.3min,达到烫感明显的60℃,也仅能工作24.3min。这还是在常温25℃的环境中测得的,如果环境温度达到夏天常见的30℃甚至更高,其满足温度体验的前提下能工作的时间就会更短。

拆开此充电器,可以发现,其已经使用了较为常见的散热方式:导热硅胶片+导热粘接胶+铜片的方案。整个机器的传热路径:

发热器件→导热界面材料→绝缘PC片→散热铜片→外壳→环境

整机进行了精心的散热设计,成本适中,装配便捷。但从测试结果看,宽面1的温度明显要高于其他几个面的温度,均温性仍有可加强的空间。

快速充电器的热管理(图19) 

 

鸿艺将产品内部的硅胶片取出,使用FLD-GTP300的导热硅胶片(导热系数为3W/m.K),并结合产品的温度分布不均匀性,在设备内贴附石墨片,加强均温性。装配层面仍然非常便捷,且石墨片轻薄,几乎不对产品的重量产生影响。

 

快速充电器的热管理(图20) 

产品最高点的温度降低4.7℃,其他部位温度也有不同程度的降低,可以发现外壳最高温度点与其他面的面之间的温被缩小,最大的部分5.5℃,最小的部分0.8℃,产品的均热性能得到进一步的提升。以60℃为温度基准,其可运行时间提高6.4min,提高幅度达27%,显著改善了充电器的性能。

这一案例中,受限于产品结构空间已定,而且内部已经做了较为精细的热设计,鸿艺仅对其做了简单的分析和优化测试,即产生显著效果。实际如果产品在研发初期就能介入,鸿艺电子在早期通过仿真模拟、样机测试,从产品器件布局、结构设计、ID设计等多个层面融入热设计理念,结合自身材料创新定制研发能力,有很大机会在降低产品重量和散热成本的前提下实现更优秀的散热效果。



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