了解和改善電源模塊的熱性能

1.前言

在大多數(shù)電源設(shè)計中，熱性能至關(guān)重要。了解開關(guān)穩(wěn)壓器的局限性并了解如何充分利用它是優(yōu)化系統(tǒng)性能不可或缺的一部分。

電源模塊發(fā)熱問題會嚴重危害模塊的可靠性，使產(chǎn)品的失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，電源模塊發(fā)熱嚴重該怎么辦呢？高溫對功率密度高的電源模塊的可靠性影響比較大，高溫會導(dǎo)致電解電容的壽命降低、變壓器漆包線的絕緣特性降低、晶體管損壞、材料熱老化、低熔點焊縫開裂、焊點脫落、器件之間的機械應(yīng)力增大等現(xiàn)象。

在許多應(yīng)用中，電源模塊基板上的熱量要經(jīng)導(dǎo)熱元件傳導(dǎo)到較遠的散熱面上。這樣，電源模塊基板的溫度將等于散熱面的溫度、導(dǎo)熱元件的溫升及兩接觸面的溫升之和。導(dǎo)熱元件的熱阻與其長度成正比，與其截面積及導(dǎo)熱率反比，選用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱材料和截面積，也可以減小導(dǎo)熱元件的熱阻。

在這篇文章中，我將解釋如何解釋降額曲線，我的目標是解釋使用不同布局技術(shù)提高熱性能的方法。 

2.解釋降額曲線

圖 1 所示的降額曲線是許多電源設(shè)計的重要組成部分。

降額曲線：端子、連接器由于本身存在接觸電阻，當(dāng)連續(xù)電流通過端子、連接器時，端子、連接器會發(fā)熱，導(dǎo)致產(chǎn)品溫度高于環(huán)境溫度。這個升高的溫度值，有的時候會影響設(shè)備的運行，極端情況可導(dǎo)致設(shè)備死機，著火等嚴重情況。因此在端子、連接器的設(shè)計使用過程，對溫升有一個極限要求。如何限制產(chǎn)品使用過程中的溫升過高呢，引入一個性能參數(shù)——最大電流測試容量或者降額曲線來限制使用環(huán)境溫度或者輸入電流值。

給產(chǎn)品通一定大小的電流，測量環(huán)境溫度tu和產(chǎn)品溫度tb，產(chǎn)品溫度和環(huán)境溫度的差值，即可得到溫升值。

tb-tu=Δt

使用降額曲線，除了快速查看各種環(huán)境溫度下的額定輸出電流外，我們還可以快速評估電源是否可以滿足我們特定應(yīng)用的要求。從圖 1 可以看出，溫度對電流的影響很明顯，設(shè)備的安全工作區(qū)位于曲線下方，因為這條線代表了由溫度定義的限制。

我們可以從降額曲線中獲得的知識類型如圖 1 所示。圖 1 顯示了MicroSip 電源模塊的幾條降額曲線，每條曲線對應(yīng)不同的結(jié)到環(huán)境熱阻值，通常稱為 Θ JA。我們會不會選擇產(chǎn)生綠色曲線的電源模塊，因為它具有最低的 Θ JA和最少的降額？

圖 1：MicroSiP 電源模塊的降額曲線

實際上，圖 1 中的每條曲線在相同的工作條件下都使用相同的TPS82130 電源模塊。只有印刷電路板 (PCB) 布局和氣流發(fā)生了變化。你，設(shè)計師，選擇你得到的降額曲線。這揭示了有關(guān)電源模塊的一個關(guān)鍵事實：它們的熱性能以及降額在很大程度上取決于設(shè)備的應(yīng)用和使用情況，其中包括 PCB 布局和系統(tǒng)變量，例如氣流。

具體來說，圖 1 中的紅色曲線是使用標準的聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會 (JEDEC) PCB 設(shè)計生成的。雖然 JEDEC 的板定義用于生成器件數(shù)據(jù)表中的大多數(shù)熱表，但 JEDEC 板對于最終應(yīng)用來說并不是一種非?，F(xiàn)實的板類型。

3.如何優(yōu)化電源模塊的熱性能

圖 2 顯示了 JEDEC PCB 和更典型的應(yīng)用 PCB 之間的一個差異：連接到設(shè)備引腳的銅的數(shù)量。JEDEC 設(shè)計中使用的極少量銅（以紫色顯示）會產(chǎn)生不切實際的不良熱性能。

圖 2：JEDEC PCB 使用非常薄的銅連接到設(shè)備的引腳

3.結(jié)論

通過在使用電源模塊時專注于熱設(shè)計，可以輕松實現(xiàn)比 JEDEC PCB 更好的性能。表 1 顯示了使用不同數(shù)量的通孔、層和氣流的幾種設(shè)計選項。所有這些都是對 JEDEC PCB 設(shè)計的改進，通過較低的 Θ JA值和由此產(chǎn)生的較低工作溫度來量化。只需通過 PCB 和系統(tǒng)設(shè)計，即可將工作溫度降低近 50°C。雖然已解決了布局上的難題，但仍需要工程完成一些設(shè)計，以便通過合理的旁路和散熱設(shè)計，最大限度地優(yōu)化模塊的性能。

表 1：不同 PCB 設(shè)計的熱性能比較