技術文章您現在的位置:首頁 > 技術文章 > 電源設計經驗:熱設計篇

電源設計經驗:熱設計篇

發布時間:2018-12-14   點擊次數:196次

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後,可以從以下兩方麵入手:

 

1、從電路結構、器件上減少損耗:如采用更優的控製方式和技術、高頻軟開關技術、移相控製技術、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,加大加粗印製線的寬度,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分鍾後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麵溫度。

 

 

圖1 采用不同驅動方案後的熱效果圖

 

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,並留有一定降額餘量。圖2為一些元件降額曲線,隨著表麵溫度增加,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。如由於工藝的差異,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,表麵溫升會比較小。 

 

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管的驅動電阻表麵溫度居然達到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,大大降低了表麵溫度。

 

 

圖3 驅動電阻表麵溫度

 

PCB設計優化熱設計

 

PCB的銅皮麵積、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紮堆布局,盡量保持板麵熱量均勻分布;

  • 熱敏感的元件尤其應該遠離熱量源;

  • 必要時采用多層PCB;

  • 功率元件背麵敷銅平麵散熱,並用“熱孔”將熱量從PCB的一麵傳到另一麵。

 

如圖4所示,上麵兩圖為沒有采用此方法時,MOS管表麵溫度和背麵PCB的溫度;下麵兩圖為采用“背麵敷銅平麵加熱孔”方法後,MOS管表麵溫度和背麵銅平麵的溫度,可以看出:

  • MOS管表麵溫度由98.0℃降低了22.5℃;

  • MOS管與背麵的銅平麵的溫差大大減小,熱孔的傳熱性能良好。

 

 

圖4 背麵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:

  • 對於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完全不同,需全麵評估。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。模塊內部元件的表麵溫升會進一步降低。

 

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,可快速為係統提供高靠性的供電隔離解決方案。

深圳市向日葵app下载安装色科技有限公司

深圳市向日葵app下载安装色科技有限公司

地址:深圳市龍華區民治街道綠景路星河傳奇三期商廈C座1008室

© 2021 版權所有:深圳市向日葵app下载安装免费下载科技有限公司  備案號:粵ICP備12033067號  總訪問量:58740  站點地圖  技術支持:化工儀器網  管理登陸

QQ在線客服
聯係方式

13600173544

0755-23044466