|
EDA365欢迎您登录!
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册
x
开关电源关键器件的热设计
: u7 V3 @) E2 N. k. n% J
. J1 @5 l* y d( d2 k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。
& x7 L3 Q7 l6 k
: x* f. O' B/ w; h$ f- i7 h! X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%。1 w; q1 I- c$ f6 Z, P3 a) d2 A4 X( |9 F
8 N+ m5 E) K2 z9 W. y. o- w
一、关键器件的损耗
7 }8 n5 {% @) w
1 m% R# d- E* }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。) x, ^0 R! O2 D* `! U
; M7 B" ^: M# ~6 t1 f表 1 主要元器件损耗根源9 f% A# @1 |% H
8 Z5 i5 H2 w6 j7 L2 p* j
( @7 W1 d# z' ]$ q
! I* L+ s. y; z9 a
二、开关电源热设计
8 O; I" N7 }; I6 p* s, C
% E4 i9 o/ ^0 v9 E" s0 A0 _" _% p: V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:- e. ^- [- i% Z" _
- b2 D1 r( _3 o: {8 O8 I
1、从电路结构、器件上减少损耗。
" X% Z. d' r- H+ Y& C+ T; A/ k7 c) g$ S* }
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。6 E, Y0 D( ]8 D; q7 G3 J
1 v- \$ G) ?/ \6 m
a.方案选择优化热设计
' N" d% X* q- Q7 a+ r/ @5 u" ?4 L7 z4 ` `/ w" s+ I, h( ~
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。+ |3 m6 ]% E6 R K) g0 o6 R2 b
* n) w( X( c9 g( z' C图 1 采用不同驱动方案后的热效果图
; @: R8 I( Z }6 u
( x( i' }/ E y- b2 ^. }( w
5 A( R8 L& V6 G" I
3 C5 `' s: \* x+ x' H3 L表 2 主要元器件损耗根源/ w: J2 e6 Y9 o7 T, o( |7 w4 x: U
% Q! U8 A, i* \
; H4 I! r9 V, E( ~( O# g5 u
9 T7 F$ e7 q; Eb.器件选择优化热设计
( W/ {+ Y7 t" I) J
; N4 u( T Y2 M( o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。
8 q3 ^4 Y H6 ?8 r2 U! M5 A, b
$ t3 |1 b6 N l! S3 S' O
- `( s1 \: F+ b6 J5 e `6 L图2 降额曲线
9 y$ U. D: h2 t- Y- Z9 r Y
, m# D* e, G6 b4 r) J3 k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。 0 e* P8 b. v- ^4 L! v* ?& n, {+ P( i
' W# ^. h: N3 t3 m" A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。$ R! W* u# T H5 t; t+ E9 g) \
$ i: Z1 C$ k# S' q' n! s
, x- H. d; }# Y* N; h: s图3驱动电阻表面温度
' K7 l; }+ b) P" S- D K
^8 [6 _/ W( v+ e) P" u: j& I% }c.PCB设计优化热设计# m- E* _. ?; N) K
. S2 F/ u% N- uPCB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。
1 N, X9 c/ }; @9 I0 O# B
! @5 t1 S6 D& k* v/ `9 I$ O, Q& jPCB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。" T: B$ w$ R9 ~/ W8 O
# e/ y0 {- y" n! @) a7 c6 e! K7 T: [' Q
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:/ y9 k! z u% f [+ j
8 e1 u C6 `$ ^- b2 i: V6 u
MOS管表面温度由98.0℃降低了22.5℃;
( Q \1 A$ M, J1 F1 x0 l" T& o+ M8 a$ C; J1 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。
$ |, U* ~* P5 e. h- S* ?1 r& Y& U4 e4 z
% F0 L0 [9 e6 u- U: G. k- e. e' w
/ t/ s' K0 @7 {! f" V% [, V图4 背面敷铜加热孔的散热效果 + @5 m$ w1 X2 ^9 s
5 e& L# L7 h1 `0 Z6 x! ?
2、运用更有效的散热技术。
8 \' P# \" j) d8 f; g
* F7 t/ `. E3 L2 I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。
7 K( U* z# m; I; y- }/ K2 S: \ v# d2 A6 p" N) @% C% `' U
热设计时,还须注意:
: i, s) o) m) d9 E0 Y7 j8 `5 y# v' ^" Y3 U1 d O/ ?7 B+ c P
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;
& a& ], ~) I! x- `, |* |0 `7 ?7 S \3 y
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。) Z2 n5 X4 X% l* `
5 v! W( y" \1 C ^$ m' Z
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。
2 H) V0 G5 t4 Q1 D. |: K) J' u
4 v$ H) }( v( D z4 G7 p g2 G5 @8 m/ s$ Y7 d5 m9 y. E; n T% q1 x3 Q
; z. t7 ^, n# {
|
|