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开关电源关键器件的热设计

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发表于 2018-12-27 09:45 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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开关电源关键器件的热设计
. ^7 j1 g# u) A$ u: G. ~3 t3 N# s
2 V3 r& Q8 i8 {; |  H! F. [
电源模块发热问题会严重危害模块的可靠性,使产品的失效率将呈指数规律增加,电源模块发热严重怎么办?本文从模块的热设计角度出发,介绍各类低温升、高可靠性的电源设计及应用解决方案。
# c* z3 b6 @  J3 U
7 Z) T1 \2 X! a! w9 J2 Z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%。
5 n( V# ^& b3 H$ Q( `5 r) b% ]5 m9 L. r9 G
一、关键器件的损耗" g( g7 u- G, W

7 z& j1 f: L+ {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。
6 Y' _7 S# }. t. w) b0 h+ R! z
* u, N  o2 S4 q表 1  主要元器件损耗根源0 o% q1 w3 \8 y3 p/ N) `1 J

$ A  r5 m% j) D: f6 ~

- B+ Q6 W* o5 l5 _  }$ q7 |% P0 w, o" |+ U
二、开关电源热设计
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从上表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:6 u/ |5 ^$ b: w$ L  M) W

& |+ K& w$ |5 A( X% }1、从电路结构、器件上减少损耗。
$ C  t$ V7 T; F! Z4 |
8 O9 t2 f: X' m) c5 b. O2 O" ~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。
& u5 E2 H- Z/ H% G$ W' Z1 x: t* A! h
a.方案选择优化热设计
& w4 Q- B. ^% N' J( t- H2 f& |% K, M% m6 |; y
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。) ^% |$ i  }- B* q- @& [( g
1 w9 Z5 [: X. D+ u* {
图 1  采用不同驱动方案后的热效果图8 C* ~/ @* F' M
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. d, v4 C( a8 n$ j4 m% a9 y% L7 P7 u3 d, K7 h, ~
表 2  主要元器件损耗根源
1 o$ k& K- ^  s- L4 ^5 p& Q2 T, K
; i4 e$ q, s0 F3 z) n( V
2 w1 a; r" E' v
b.器件选择优化热设计& W+ _) L* x. H# ?! s2 w2 d

$ z4 R& |, b. }* ]6 k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。, W" y& [) |" T

' q( P. ~4 O6 G: M
# c8 ?+ z, E+ c8 {0 O" m" `4 }6 u
图2 降额曲线
7 Q6 z& [$ j0 v6 i1 w! v# b
5 Z8 x9 c7 k$ V5 `9 F/ r
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。
* h( S9 V5 Y1 T, g& d! [+ M, ]( T3 v+ K3 B5 ^
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。
& h/ D8 e5 O: Z5 D3 U- l
; ], [" Q3 o9 \0 N( O
( \: b- b- |+ c. G" {
图3驱动电阻表面温度

! W, F. o5 I3 u; I9 [
! x4 y' `7 S5 `( T' I" j; Ic.PCB设计优化热设计% P8 y  {& O6 H/ s! h

' `0 S& k8 C$ V' iPCB的铜皮面积、铜皮厚度、板材材质、PCB层数都影响到模块散热。常用板材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。0 U- R1 T3 x# J. i7 ?$ E7 M

9 P! G% t- `, n+ YPCB的布局布线也要考虑到模块的散热:a).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;b).热敏感的元件尤其应该远离热量源;c).必要时采用多层PCB;d).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。
1 @$ I, U9 `5 F( r
5 w" j% e2 |/ r% L
3 h+ v/ H; R' ~7 j2 f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:' f6 i* c6 ?4 Z6 j: u9 O6 m

+ f. H3 [2 I9 M" [MOS管表面温度由98.0℃降低了22.5℃;
  G: m3 Q/ q$ G) I2 S6 t4 a* z: U% R
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。
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8 u# ]4 L/ V6 \6 |! r) X' K

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图4 背面敷铜加热孔的散热效果

) v0 ^! U, r0 U5 V" t& l1 D4 c- I4 y# J7 L: W
2、运用更有效的散热技术。& u$ W2 s6 b2 ?* W& I* t
( |* d* M& F& U6 t1 ?' d
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。
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' `$ s" @2 n; N5 W2 u" n5 ^热设计时,还须注意:( Q6 A$ {8 B) U& J. Q
* H! ^" F6 a  _, F/ E, c1 D
a.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;
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8 o3 c4 \( Z) E+ o, }b.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。: V& g, Q! M4 A6 S5 T' a' D

! G" D- W5 P( g" `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。致远电子基于近二十年的电源设计经验积累,自主研发设计自主电源IC,打造全工况优选定压DC-DC电源P系列,满足所有工况需求,为用户提供稳定、优质的供电解决方案。致远电子自主电源IC相较于传统方案,内部集成短路保护、过温保护等保护功能,具备更高的集成度与可靠性,保证全工况高效、稳定供电,能够为用户I/O及通信隔离等应用提供标准、可靠的供电解决方案。
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