電源模塊熱設(shè)計方案解析

　摘要：一摸電源模塊的表面，熱乎乎的，模塊壞了？！且慢，有一點發(fā)熱，僅僅只是因為它正努力地工作著。但高溫對電源模塊的可靠性影響極其大！我們須致力于做好熱設(shè)計，減小電源表面和內(nèi)部器件的溫升。這一次，我們扒一扒電源模塊的熱設(shè)計。
　　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(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，焊點脫落等現(xiàn)象。有統(tǒng)計資料表明，電子元件溫度每升高2℃，可靠性下降10%。對于電源模塊的熱設(shè)計，它包括兩個層面：降低損耗和改善散熱條件。
　　一、元器件的損耗
　　損耗是產(chǎn)生熱量的直接原因，降低損耗是降低發(fā)熱的根本。市面上有些廠家把發(fā)熱元件包在模塊內(nèi)部，使得熱量散不出去，這種方法有點自欺欺人。降低內(nèi)部發(fā)熱元件的損耗和溫升才是硬道理。
　　電源模塊熱設(shè)計的關(guān)鍵器件一般有：MOS管、二極管、變壓器、功率電感、限流電阻等。其損耗如下：
　　1、 MOS管的損耗：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗（開通損耗和關(guān)斷損耗）；
　　2、 整流二極管的損耗：正向?qū)〒p耗；
　　3、 變壓器、功率電感：鐵損和銅損；
　　4、 無源器件（電阻、電容等）：歐姆熱損耗。
　　二、熱設(shè)計
　　在設(shè)計的初期，方案選擇、元器件選擇、PCB設(shè)計等方面都要考慮到熱設(shè)計。
　　1、方案的選擇
　　方案會直接影響到整體損耗和整體溫升的程度。
　　2、元器件的選擇
　　元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。降額等級可以參考《國家軍用標(biāo)準(zhǔn)——元器件降額準(zhǔn)則GJB/Z35-93》，該標(biāo)準(zhǔn)對各類元器件的各等級降額余量作了規(guī)定。設(shè)計一個穩(wěn)定可靠的電源，實在不能任性，必須好好照著各元件的性子，設(shè)計、降額、驗證。圖 1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1 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。
　　設(shè)計中，要評估的電阻一般有MOS管的限流檢測電阻、MOS管的驅(qū)動電阻等。限流電阻一般使用1206或更大的封裝，多個并聯(lián)使用。驅(qū)動電阻的損耗也需要考慮，否則可能導(dǎo)致溫升過高。