電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：熱設(shè)計(jì)篇

高溫對(duì)功率密度高的電源模塊的可靠性影響極其大。高溫會(huì)導(dǎo)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(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落、器件之間的機(jī)械應(yīng)力增大等現(xiàn)象。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元件溫度每升高2℃，可靠性下降10%。

一、關(guān)鍵器件的損耗

表1是開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵器件的熱損耗根源，了解器件發(fā)熱原因，為散熱設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，能快速定位設(shè)計(jì)方案。

表1 主要元器件損耗根源

二、開(kāi)關(guān)電源熱設(shè)計(jì)

從表 1了解關(guān)鍵發(fā)熱器件和發(fā)熱的原因后，可以從以下兩方面入手：

1、從電路結(jié)構(gòu)、器件上減少損耗：如采用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)、高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率；

方案選擇優(yōu)化熱設(shè)計(jì)

圖1是同一個(gè)產(chǎn)品的熱效果圖，圖 1 中的A圖采用軟驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案，圖 1 中的B圖采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案，輸入輸出條件一樣，工作30分鐘后測(cè)試兩個(gè)產(chǎn)品的關(guān)鍵器件溫度，如表2所示, A圖關(guān)鍵器件MOS的溫度降幅是B圖的32%，關(guān)鍵器件溫度降低同時(shí)，提高了產(chǎn)品的可靠性，e所以采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或者軟驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能大幅度降低關(guān)鍵器件的表面溫度。

圖1 采用不同驅(qū)動(dòng)方案后的熱效果圖

表2 主要元器件損耗根源

器件選擇優(yōu)化熱設(shè)計(jì)

器件的選擇不僅需要考慮電應(yīng)力，還要考慮熱應(yīng)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(huì)有所降低。

圖2 降額曲線

元器件的封裝對(duì)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(huì)比較小。一般封裝越大的電 阻，其額定功率也會(huì)越大，在同樣的損耗的條件下，表面溫升會(huì)比較小。 

有時(shí)，電路參數(shù)和性能看似正常，但實(shí)際上隱藏很大的問(wèn)題。如圖3所示，某電路基本性能沒(méi)有問(wèn)題，但在常溫下，用紅外熱成像儀一測(cè)， MOS管的驅(qū)動(dòng)電阻表面溫度居然達(dá)到95.2℃。長(zhǎng)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(wèn)題。通過(guò)調(diào)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3 驅(qū)動(dòng)電阻表面溫度

PCB設(shè)計(jì)優(yōu)化熱設(shè)計(jì)

PCB的銅皮面積、銅皮厚度、板材材質(zhì)、PCB層數(shù)都影響到模塊的散熱。常用的板材FR4（環(huán)氧樹(shù)脂）是很好的導(dǎo)熱材料，PCB上元器件的熱量可以通過(guò)PCB散熱。特殊應(yīng)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：

• 發(fā)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；

• 熱敏感的元件尤其應(yīng)該遠(yuǎn)離熱量源；

• 必要時(shí)采用多層PCB；

• 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)鞯搅硪幻妗?/p>

如圖4所示，上面兩圖為沒(méi)有采用此方法時(shí)，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：

• MOS管表面溫度由98.0℃降低了22.5℃；

• 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4 背面敷銅加熱孔的散熱效果

2、運(yùn)用更有效的散熱技術(shù)：利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法。

熱設(shè)計(jì)時(shí)，還須注意：

• 對(duì)于寬壓輸入的電源模塊，高壓輸入和低壓輸入的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布*不同，需全面評(píng)估。短路保護(hù)時(shí)的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布也要評(píng)估；

• 在灌封類電源模塊中，灌封膠是一種良好的導(dǎo)熱的材料。模塊內(nèi)部元件的表面溫升會(huì)進(jìn)一步降低。

三、總結(jié)

除了上述提及的電源熱設(shè)計(jì)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(tǒng)提供高靠性的供電隔離解決方案。