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從元器件到電路,分析電源模塊熱設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2015-11-11 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】有沒有試過(guò)這樣的情況,摸一下電源模塊的表面,熱乎乎的,難道模塊壞了?!且慢,有一點(diǎn)發(fā)熱,僅僅只是因?yàn)樗Φ毓ぷ髦?。但高溫?duì)電源模塊的可靠性影響極其大!我們須致力于做好熱設(shè)計(jì),減小電源表面和內(nèi)部器件的溫升。這一次,我們扒一扒電源模塊的熱設(shè)計(jì)。
 
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(wú)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(guò)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(wèn)題。如圖 2所示,某電路基本性能沒有問(wèn)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(wèn)題??梢?,研發(fā)過(guò)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(wèn)題點(diǎn)。通過(guò)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(guò)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?/div>
 
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(lái)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。
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