水冷电源优势大解析
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文: Brian Lu/ MWUSA Technical Service Dept.
brian@meanwellusa.com
由于客户应用环境与SPS设计差异，SPS制造商会设计相对应散热方式的产品，一般常见的为自然对流、传导散热、强制对流与水冷…等方式。不同的散热与冷却方式其散热能力差异很大，可参考以下常见的散热方式比较说明。
- 散热方式与热传系数
| 散热方式 | 热传系数 (W/m2K) |
| 自然对流 | 3-12 |
| 强制对流 | 10-100 |
| 水冷 | 3000-7000 |
2. 散热方式与散热能力
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由上图与表格可以明显看出,水冷散热方式相对于其他散热方式有更高的散热效益,当然整体系统架构上则需付出更高的成本，下表为针对SPS设计做三种不同散热方式比较，包括优点、缺点和应用。
| 优点 | 缺点 | 应用 | |
| 自然散热 (被动) |
• 可广泛使用 • 低成本 • 无额外功耗 • 无声噪与振动, 静音运作 • 低维护 • 结构简单, 安装容易 |
• 散热能力低 • 需要大散热面积 • 散热能力与方向性强相关 • 在不同的环境下难以有效控制散热 • 对流散热面必须保持清洁无异物与侵蚀 |
• 适用于低功率密度 • 需要无无噪音无震动的环境, 譬如小功率医疗设备, 室内照明,家电, 安防, 精密仪器等 |
| 强制风冷 (主动) | • 体积热阻, 比被动式散热方式小 • 散热能力, 比被动式散热方式高 • 可自定制冷却性能 |
• 短期可靠度 • 成本较高 • 需要经常维护与更换 • 外来异物, 譬如粉尘 • 声噪与振动 • 需要提供额外电力驱动风扇 |
• 适用于中到高功率密度 • 系统本身非密闭有空气流动 • 一般用于工业设备,资通讯, 户外照明等 |
| 水冷 (主动) |
• 优良的散热能力 • 散热效率高 • 无噪音与振动, 运作安静 • 在高环温下也能有效冷却 • 提升SPS使用寿命 • 可在非常宽范围温度下运作 |
• 复杂 • 成本较高 • 对泄漏很敏感 • 需要外接水冷机 |
• 适用于高到极高功率密度 • 薄型化应用 • 需要定温循环的设备 • 恶劣环境 • 大多用于高功率工业设备, 例如工业雷射, 充电站等 |
目前在开关电源设计中，对流冷却和强制风冷被广泛采用，普遍被使用在产生较少热或是中低功率的应用中。针对产生较高热量的应用（例如光纤激光器）则大多利用水冷器通过水循环（水冷）来散热。极高功率密度之大功率（约10KW以上）应用也会使用水冷技术，以减小设备整体尺寸。利用既有的水冷机，具备水冷的电源产品是激光和极高功率密度之大功率设计应用的首选。
明纬首款水冷电源PHP-3500系列，最高输出可达3500W，透过并联功能，最多可并联四台产品，以提供高达14,000W的功率。由于具备水冷功能，PHP-3500适用于光纤激光器和配备水冷机的高密度功率应用。除了水冷之外，针对工业自动化应用所需，PHP-3500系列也可以通过外部风扇进行冷却散热。两种散热模式主要差异在水冷可以有效降低电源内部零件的温度。从下方影片中，可以看到PHP-3500-48在水冷和风冷的散热模式下，MOSFET和电容器的温度变化。使用水冷散热的方式，MOSFET和电容器的温度比风冷低6~18°C。水冷技术不仅可以使电源内部零件维持在一个更低的理想温度，使产品具有更高的可靠性，也让高功率应用或光纤激光器的产品外形设计更加小巧。