電源設計經驗：熱設計篇

更新時間：2019-05-22 點擊次數：2044

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

二、開關電源熱設計

從表 1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；

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。

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

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

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。

圖3 驅動電阻表面溫度

PCB設計優化熱設計

PCB的銅皮面積、銅皮厚度、板材材質、PCB層數都影響到模塊的散熱。常用的板材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：

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；
熱敏感的元件尤其應該遠離熱量源；
必要時采用多層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：

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：

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*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；
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。

三、總結

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。