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宏允电源分析电源模块的热设计

来源:上海宏允电子有限公司 日期:2014年12月15日  点击数:载入中。。。

电源模块在正常运行过程中表面热乎乎的,模块坏了?不是!仅仅只是因为它正努力地工作着,一小部分的能量转化成了热能通过表面散热。但高温对电源模块的可靠性影响极其大!我们须致力于做好热设计,减小电源表面和内部器件的温升。这一次,我们扒一扒电源模块的热设计。

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,焊点脱落等现象。有统计资料表明,电子元件温度每升高2℃,可靠性下降10%

对于电源模块的热设计,它包括两个层面:降低损耗和改善散热条件

一、元器件的损耗

损耗是产生热量的直接原因,降低损耗是降低发热的根本(降低内部发热元件的损耗和温升)。

电源模块热设计的关键器件一般有:MOS管、二极管、变压器、功率电感、限流电阻等。其损耗如下:

1、 MOS管的损耗:导通损耗、开关损耗(开通损耗和关断损耗);

2、 整流二极管的损耗:正向导通损耗;

3、 变压器、功率电感:铁损和铜损;

4、 无源器件(电阻、电容等):欧姆热损耗。

二、热设计

在设计的初期,方案选择、元器件选择、PCB设计等方面都要考虑到热设计。

1、方案的选择

方案会直接影响到整体损耗和整体温升的程度。

2、元器件的选择

元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。降额等级可以参考《国家军用标准——元器件降额准则GJB/Z35-93》,该标准对各类元器件的各等级降额余量作了规定。设计一个稳定可靠的电源,实在不能任性,必须好好照着各元件的性子,设计、降额、验证。图 1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。

                                                                                 图1 降额曲线

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。

设计中,要评估的电阻一般有MOS管的限流检测电阻、MOS管的驱动电阻等。限流电阻一般使用1206或更大的封装,多个并联使用。驱动电阻的损耗也需要考虑,否则可能导致温升过高。

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 2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,不得了了,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。可见,研发过程中使用热成像仪测试元器件的温度尤其重要,可及时发现并定位问题点。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。

                                                                             图驱动电阻表面温度

3、PCB设计

PCB的铜皮面积、铜皮厚度、板材材质、PCB层数都影响到模块的散热。常用的板材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。

PCB的布局布线也要考虑到模块的散热:

(1) 发热量大的元件要避免扎堆布局,不要哪里闹,就往哪里凑,尽量保持板面热量均匀分布;

(2) 热敏感的元件尤其应该哪边凉快哪边去”;

(3) 必要时采用多层PCB;

(4) 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。热孔的孔径应很小,大约0.3mm左右,热孔的间距一般为1mm~1.2mm。功率元件背面敷铜平面加热孔的方法,可以起到很好的散热效果,降低功率元件的表面温升。如图 3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:

a) MOS管表面温度由98.0℃降低了22.5℃;

b) 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。

                                                                     图3 背面敷铜加热孔的散热效果

热设计时,还须注意:

1、 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。

2、 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。即便如此,我们仍要测试高温环境下内部元件的表面温升,来确保模块的可靠性。

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