從模塊熱設計角度出發(fā)，介紹各類低溫升、高可靠性電源設計

本文導讀

高溫對功率密度高的電源模塊的可靠性影響極其大。高溫會導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、器件之間的機械應力增大等現(xiàn)象。有統(tǒng)計資料表明，電子元件溫度每升高2℃，可靠性下降10%。

一、關鍵器件的損耗

表1是開關電源關鍵器件的熱損耗根源，了解器件發(fā)熱原因，為散熱設計提供理論基礎，能快速定位設計方案。

表1 主要元器件損耗根源

二、開關電源熱設計

從表 1了解關鍵發(fā)熱器件和發(fā)熱的原因后，可以從以下兩方面入手：

1、從電路結構、器件上減少損耗：如采用更優(yōu)的控制方式和技術、高頻軟開關技術、移相控制技術、同步整流技術等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率；

方案選擇優(yōu)化熱設計

圖1是同一個產品的熱效果圖，圖 1 中的A圖采用軟驅動技術方案，圖 1 中的B圖采用直接驅動技術方案，輸入輸出條件一樣，工作30分鐘后測試兩個產品的關鍵器件溫度，如表2所示, A圖關鍵器件MOS的溫度降幅是B圖的32%，關鍵器件溫度降低同時，提高了產品的可靠性，e所以采用高頻軟開關技術或者軟驅動技術，能大幅度降低關鍵器件的表面溫度。

圖1 采用不同驅動方案后的熱效果圖

表2 主要元器件損耗根源

器件選擇優(yōu)化熱設計

器件的選擇不僅需要考慮電應力，還要考慮熱應力，并留有一定降額余量。圖2為一些元件降額曲線，隨著表面溫度增加，其額定功率會有所降低。

圖2 降額曲線

元器件的封裝對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，溫升會比較小。一般封裝越大的電 阻，其額定功率也會越大，在同樣的損耗的條件下，表面溫升會比較小。

有時，電路參數(shù)和性能看似正常，但實際上隱藏很大的問題。如圖3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， MOS管的驅動電阻表面溫度居然達到95.2℃。長期工作或高溫環(huán)境下，極易出現(xiàn)電阻燒壞、模塊損壞的問題。通過調整電路參數(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。

圖3 驅動電阻表面溫度

PCB設計優(yōu)化熱設計

PCB的銅皮面積、銅皮厚度、板材材質、PCB層數(shù)都影響到模塊的散熱。常用的板材FR4（環(huán)氧樹脂）是很好的導熱材料，PCB上元器件的熱量可以通過PCB散熱。特殊應用情況下，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：

• 發(fā)熱量大的元件要避免扎堆布局，盡量保持板面熱量均勻分布；

• 熱敏感的元件尤其應該遠離熱量源；

• 必要時采用多層PCB；

• 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)鞯搅硪幻妗?/p>

如圖4所示，上面兩圖為沒有采用此方法時，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，可以看出：

• MOS管表面溫度由98.0℃降低了22.5℃；

• 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。

圖4 背面敷銅加熱孔的散熱效果

2、運用更有效的散熱技術：利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉移，這包括采用散熱器、風冷(自然對流和強迫風冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法。

熱設計時，還須注意：

• 對于寬壓輸入的電源模塊，高壓輸入和低壓輸入的發(fā)熱點和熱量分布完全不同，需全面評估。短路保護時的發(fā)熱點和熱量分布也要評估；

• 在灌封類電源模塊中，灌封膠是一種良好的導熱的材料。模塊內部元件的表面溫升會進一步降低。

三、總結

除了上述提及的電源熱設計技巧之外，還可以直接選用高性能的隔離DC-DC電源模塊，可快速為系統(tǒng)提供高靠性的供電隔離解決方案。致遠電子基于近二十年的電源設計經驗積累，自主研發(fā)設計自主電源IC，打造全工況優(yōu)選定壓DC-DC電源P系列，滿足所有工況需求，為用戶提供穩(wěn)定、優(yōu)質的供電解決方案。致遠電子自主電源IC相較于傳統(tǒng)方案，內部集成短路保護、過溫保護等保護功能，具備更高的集成度與可靠性，保證全工況高效、穩(wěn)定供電，能夠為用戶I/O及通信隔離等應用提供標準、可靠的供電解決方案。