電源模塊熱設計分析

　　摘要：一摸電源模塊的表面，熱乎乎的，模塊壞了?!且慢，有一點發(fā)熱，僅僅只是因為它正努力地工作著。但高溫對電源模塊的可靠性影響極其大!我們須致力于做好熱設計，減小電源表面和內部器件的溫升。這一次，我們扒一扒電源模塊的熱設計。

　　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，焊點脫落等現(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%。對于電源模塊的熱設計，它包括兩個層面：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)熱元件包在模塊內部，使得熱量散不出去，這種方法有點自欺欺人。降低內部發(fā)熱元件的損耗和溫升才是硬道理。

　　電源模塊熱設計的關鍵器件一般有：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：導通損耗、開關損耗(開通損耗和關斷損耗);

　　2、 整流二極管的損耗：正向導通損耗;

　　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、熱設計

　　在設計的初期，方案選擇、元器件選擇、PCB設計等方面都要考慮到熱設計。

　　1、方案的選擇

　　方案會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力，還要考慮熱應力，并留有一定降額余量。降額等級可以參考《國家軍用標準——元器件降額準則GJB/Z35-93》，該標準對各類元器件的各等級降額余量作了規(guī)定。設計一個穩(wěn)定可靠的電源，實在不能任性，必須好好照著各元件的性子，設計、降額、驗證。圖 1為一些元件降額曲線，隨著表面溫度增加，其額定功率會有所降低。

　　圖1 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。

　　設計中，要評估的電阻一般有MOS管的限流檢測電阻、MOS管的驅動電阻等。限流電阻一般使用1206或更大的封裝，多個并聯(lián)使用。驅動電阻的損耗也需要考慮，否則可能導致溫升過高。

　　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 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，不得了了，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?？梢?，研發(fā)過程中使用熱成像儀測試元器件的溫度尤其重要，可及時發(fā)現(xiàn)并定位問題點。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2驅動電阻表面溫度

　　3、PCB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：

　　(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該“哪邊涼快哪邊去”;

　　(3) 必要時采用多層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?。熱孔的孔徑應很小，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，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：

　　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。

　　圖3 背面敷銅加熱孔的散熱效果

　　熱設計時，還須注意：

　　1、 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。

　　2、 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。即便如此，我們仍要測試高溫環(huán)境下內部元件的表面溫升，來確保模塊的可靠性。那怎么才能測試準確地測試內部元件的溫升呢?請查閱《ZLG是如何測試電源模塊內部的溫升的!》一文，文中有詳細的描述。