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開關電源關鍵器件的熱設計

2018-08-01

   電源模塊發熱問題會嚴重危害模塊的可靠性,使產品的失效率將呈指數規律增加,電源模塊發熱嚴重怎么辦?本文從模塊的熱設計角度出發,介紹各類低溫升、高可靠性的電源設計及應用解決方案。

  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象。有統計資料表明,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

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  二、開關電源熱設計

  從上表了解關鍵發熱器件和發熱的原因后,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,減少發熱器件的數目,加大加粗印制線的寬度,提高電源的效率。

  a.方案選擇優化熱設計

  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。

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  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

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  b.器件選擇優化熱設計

  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

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  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℃。長期工作或高溫環境下,極易出現電阻燒壞、模塊損壞的問題。通過調整電路參數,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。

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  圖3驅動電阻表面溫度

  c.PCB設計優化熱設計

  PCB的銅皮面積、銅皮厚度、板材材質、PCB層數都影響到模塊散熱。常用板材FR4(環氧樹脂)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:a).發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;b).熱敏感的元件尤其應該遠離熱量源;c).必要時采用多層PCB;d).功率元件背面敷銅平面散熱,并用“熱孔”將熱量從PCB的一面傳到另一面。

  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:

  lMOS管表面溫度由98.0℃降低了22.5℃;

  lMOS管與背面的銅平面的溫差大大減小,熱孔的傳熱性能良好。

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  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:

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

  b.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。

  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,自主研發設計自主電源IC,打造全工況優選定壓DC-DC電源P系列,滿足所有工況需求,為用戶提供穩定、優質的供電解決方案。致遠電子自主電源IC相較于傳統方案,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。

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