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电源设计经验:热设计篇

发布时间:2018-12-14   点击次数:393次

高温对功率密度高的电源模块的可靠性影响极其大。高温会导致电解电容的寿命降低、变压器漆包线的绝缘特性降低、晶体管损坏、材料热老化、低熔点焊缝开裂、焊点脱落、器件之间的机械应力增大等现象。有统计资料表明,电子元件温度每升高2℃,可靠性下降10%。

 

一、关键器件的损耗

 

表1是开关电源关键器件的热损耗根源,了解器件发热原因,为散热设计提供理论基础,能快速定位设计方案。

 

表1 主要元器件损耗根源

 

 

二、开关电源热设计

 

从表 1了解关键发热器件和发热的原因后,可以从以下两方面入手:

 

1、从电路结构、器件上减少损耗:如采用更优的控制方式和技术、高频软开关技术、移相控制技术、同步整流技术等,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率;

 

方案选择优化热设计

 

图1是同一个产品的热效果图,图 1 中的A图采用软驱动技术方案,图 1 中的B图采用直接驱动技术方案,输入输出条件一样,工作30分钟后测试两个产品的关键器件温度,如表2所示, A图关键器件MOS的温度降幅是B图的32%,关键器件温度降低同时,提高了产品的可靠性,e所以采用高频软开关技术或者软驱动技术,能大幅度降低关键器件的表面温度。

 

 

图1 采用不同驱动方案后的热效果图

 

表2 主要元器件损耗根源

 

 

器件选择优化热设计

 

器件的选择不仅需要考虑电应力,还要考虑热应力,并留有一定降额余量。图2为一些元件降额曲线,随着表面温度增加,其额定功率会有所降低。

 

 

图2 降额曲线

 

元器件的封装对器件的温升有很大的影响。如由于工艺的差异,DFN封装的MOS管比DPAK(TO252)封装的MOS管更容易散热。前者在同样的损耗条件下,温升会比较小。一般封装越大的电 阻,其额定功率也会越大,在同样的损耗的条件下,表面温升会比较小。 

 

有时,电路参数和性能看似正常,但实际上隐藏很大的问题。如图3所示,某电路基本性能没有问题,但在常温下,用红外热成像仪一测, MOS管的驱动电阻表面温度居然达到95.2℃。长期工作或高温环境下,极易出现电阻烧坏、模块损坏的问题。通过调整电路参数,降低电阻的欧姆热损耗,且将电阻封装由0603改成0805,大大降低了表面温度。

 

 

图3 驱动电阻表面温度

 

PCB设计优化热设计

 

PCB的铜皮面积、铜皮厚度、板材材质、PCB层数都影响到模块的散热。常用的板材FR4(环氧树脂)是很好的导热材料,PCB上元器件的热量可以通过PCB散热。特殊应用情况下,也有采用铝基板或陶瓷基板等热阻更小的板材。

 

PCB的布局布线也要考虑到模块的散热:

  • 发热量大的元件要避免扎堆布局,尽量保持板面热量均匀分布;

  • 热敏感的元件尤其应该远离热量源;

  • 必要时采用多层PCB;

  • 功率元件背面敷铜平面散热,并用“热孔”将热量从PCB的一面传到另一面。

 

如图4所示,上面两图为没有采用此方法时,MOS管表面温度和背面PCB的温度;下面两图为采用“背面敷铜平面加热孔”方法后,MOS管表面温度和背面铜平面的温度,可以看出:

  • MOS管表面温度由98.0℃降低了22.5℃;

  • MOS管与背面的铜平面的温差大大减小,热孔的传热性能良好。

 

 

图4 背面敷铜加热孔的散热效果

 

2、运用更有效的散热技术:利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。

 

热设计时,还须注意:

  • 对于宽压输入的电源模块,高压输入和低压输入的发热点和热量分布完全不同,需全面评估。短路保护时的发热点和热量分布也要评估;

  • 在灌封类电源模块中,灌封胶是一种良好的导热的材料。模块内部元件的表面温升会进一步降低。

 

三、总结

 

除了上述提及的电源热设计技巧之外,还可以直接选用高性能的隔离DC-DC电源模块,可快速为系统提供高靠性的供电隔离解决方案。

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