電源模塊熱設(shè)計(jì)分析

高溫對(duì)功率密度高的電源模塊的可靠性影響極其大。高溫會(huì)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，焊點(diǎn)脫落等現(xiàn)象。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元件溫度每升高2℃，可靠性下降10%。對(duì)于電源模塊的熱設(shè)計(jì)，它包括兩個(gè)層面：降低損耗和改善散熱條件。

一、元器件的損耗

損耗是產(chǎn)生熱量的直接原因，降低損耗是降低發(fā)熱的根本。市面上有些廠家把發(fā)熱元件包在模塊內(nèi)部，使得熱量散不出去，這種方法有點(diǎn)自欺欺人。降低內(nèi)部發(fā)熱元件的損耗和溫升才是硬道理。

電源模塊熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件一般有：MOS管、二極管、變壓器、功率電感、限流電阻等。其損耗如下：

1、 MOS管的損耗：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗(開通損耗和關(guān)斷損耗);

2、 整流二極管的損耗：正向?qū)〒p耗;

3、 變壓器、功率電感：鐵損和銅損;

4、 無源器件(電阻、電容等)：歐姆熱損耗。

二、熱設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的初期，方案選擇、元器件選擇、PCB設(shè)計(jì)等方面都要考慮到熱設(shè)計(jì)。

1、方案的選擇

方案會(huì)直接影響到整體損耗和整體溫升的程度。

2、元器件的選擇

元器件的選擇不僅需要考慮電應(yīng)力，還要考慮熱應(yīng)力，并留有一定降額余量。降額等級(jí)可以參考《國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)——元器件降額準(zhǔn)則GJB/Z35-93》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類元器件的各等級(jí)降額余量作了規(guī)定。設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源，實(shí)在不能任性，必須好好照著各元件的性子，設(shè)計(jì)、降額、驗(yàn)證。圖 1為一些元件降額曲線，隨著表面溫度增加，其額定功率會(huì)有所降低。

元器件的封裝對(duì)器件的溫升有很大的影響。如由于工藝的差異，DFN封裝的MOS管比DPAK(TO252)封裝的MOS管更容易散熱。前者在同樣的損耗條件下，溫升會(huì)比較小。一般封裝越大的電阻，其額定功率也會(huì)越大，在同樣的損耗的條件下，表面溫升會(huì)比較小。

設(shè)計(jì)中，要評(píng)估的電阻一般有MOS管的限流檢測(cè)電阻、MOS管的驅(qū)動(dòng)電阻等。限流電阻一般使用1206或更大的封裝，多個(gè)并聯(lián)使用。驅(qū)動(dòng)電阻的損耗也需要考慮，否則可能導(dǎo)致溫升過高。

有時(shí)，電路參數(shù)和性能看似正常，但實(shí)際上隱藏很大的問題。如圖 2所示，某電路基本性能沒有問題，但在常溫下，用紅外熱成像儀一測(cè)，不得了了，MOS管的驅(qū)動(dòng)電阻表面溫度居然達(dá)到95.2℃。長(zhǎng)期工作或高溫環(huán)境下，極易出現(xiàn)電阻燒壞、模塊損壞的問題?？梢?，研發(fā)過程中使用熱成像儀測(cè)試元器件的溫度尤其重要，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位問題點(diǎn)。通過調(diào)整電路參數(shù)，降低電阻的歐姆熱損耗，且將電阻封裝由0603改成0805，大大降低了表面溫度。

3、PCB設(shè)計(jì)

PCB的銅皮面積、銅皮厚度、板材材質(zhì)、PCB層數(shù)都影響到模塊的散熱。常用的板材FR4(環(huán)氧樹脂)是很好的導(dǎo)熱材料，PCB上元器件的熱量可以通過PCB散熱。特殊應(yīng)用情況下，也有采用鋁基板或陶瓷基板等熱阻更小的板材。

PCB的布局布線也要考慮到模塊的散熱：

(1) 發(fā)熱量大的元件要避免扎堆布局，不要哪里“熱”鬧，就往哪里湊，盡量保持板面熱量均勻分布;

(2) 熱敏感的元件尤其應(yīng)該“哪邊涼快哪邊去”;

(3) 必要時(shí)采用多層PCB;

(4) 功率元件背面敷銅平面散熱，并用“熱孔”將熱量從PCB的一面?zhèn)鞯搅硪幻?。熱孔的孔徑?yīng)很小，大約0.3mm左右，熱孔的間距一般為1mm~1.2mm。功率元件背面敷銅平面加熱孔的方法，可以起到很好的散熱效果，降低功率元件的表面溫升。如圖 3所示，上面兩圖為沒有采用此方法時(shí)，MOS管表面溫度和背面PCB的溫度;下面兩圖為采用“背面敷銅平面加熱孔”方法后，MOS管表面溫度和背面銅平面的溫度?？梢钥闯觯?/p>

a) MOS管表面溫度由98.0℃降低了22.5℃;

b) MOS管與背面的銅平面的溫差大大減小，熱孔的傳熱性能良好。

熱設(shè)計(jì)時(shí)，還須注意：

1、 對(duì)于寬壓輸入的電源模塊，高壓輸入和低壓輸入的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布完全不同，需全面評(píng)估。短路保護(hù)時(shí)的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布也要評(píng)估。

2、 在灌封類電源模塊中，灌封膠是一種良好的導(dǎo)熱的材料。模塊內(nèi)部元件的表面溫升會(huì)進(jìn)一步降低。即便如此，我們?nèi)砸獪y(cè)試高溫環(huán)境下內(nèi)部元件的表面溫升，來確保模塊的可靠性。那怎么才能測(cè)試準(zhǔn)確地測(cè)試內(nèi)部元件的溫升呢?請(qǐng)查閱《ZLG是如何測(cè)試電源模塊內(nèi)部的溫升的!》一文，文中有詳細(xì)的描述。