开关电源关键器件的热设计

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开关电源关键器件的热设计

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电源模块发热问题会严重危害模块的可靠性，使产品的失效率将呈指数规律增加，电源模块发热严重怎么办？本文从模块的热设计角度出发，介绍各类低温升、高可靠性的电源设计及应用解决方案。
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( P8 s; R/ H  _# b" e5 p& a1 R5 ^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、低熔点焊缝开裂、焊点脱落、器件之间的机械应力增大等现象。有统计资料表明，电子元件温度每升高2℃，可靠性下降10%。

一、关键器件的损耗

表 1是开关电源关键器件的热损耗根源，了解器件发热原因，为散热设计提供理论基础，能快速定位设计方案。
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表 1  主要元器件损耗根源

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, k% o. X- t$ T- h- U二、开关电源热设计
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从上表了解关键发热器件和发热的原因后，可以从以下两方面入手：

! l# F9 ?+ \/ c  ^' f1、从电路结构、器件上减少损耗。

如采用更优的控制方式和技术、高频软开关技术、移相控制技术、同步整流技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。
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a.方案选择优化热设计

$ F1 m: q, G/ B: l; J图 1是同一个产品的热效果图，图 1 中的A图采用软驱动技术方案，图 1 中的B图采用直接驱动技术方案，输入输出条件一样，工作30分钟后测试两个产品的关键器件温度，如表 2所示, A图关键器件MOS的温度降幅是B图的32%，关键器件温度降低同时，提高了产品的可靠性，e所以采用高频软开关技术或者软驱动技术，能大幅度降低关键器件的表面温度。
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图 1  采用不同驱动方案后的热效果图
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8 k2 i+ o2 e: f! }# k% u: c& m6 I% K表 2  主要元器件损耗根源

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: T/ Z, ~9 B! F/ A  {1 z8 V" qb.器件选择优化热设计
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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。图2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。

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图2 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。
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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3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， 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。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。

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图3驱动电阻表面温度

  R! h- |" I7 C3 M! f; i* p: hc.PCB设计优化热设计
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$ i9 Z, }# i, k$ {- H( D- p% yPCB的铜皮面积、铜皮厚度、板材材质、PCB层数都影响到模块散热。常用板材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。

2 t8 o' N  o3 U3 q2 p( tPCB的布局布线也要考虑到模块的散热：a).发热量大的元件要避免扎堆布局，尽量保持板面热量均匀分布；b).热敏感的元件尤其应该远离热量源；c).必要时采用多层PCB；d).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。

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1 z) I& i  q) y4 E: M/ l/ P3 [如图4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：

MOS管表面温度由98.0℃降低了22.5℃；

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4 背面敷铜加热孔的散热效果

4 F0 i0 S4 I* E8 E0 o8 _7 J1 K2 O/ Z2、运用更有效的散热技术。
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利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。

% o# S8 [5 g: }热设计时，还须注意：
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a.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；
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9 G2 ~$ v3 t, _' Nb.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。
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3 S4 Y8 p, W; D. e. F. C5 A$ v) O2 ~! {除了上述提及的电源热设计技巧之外，还可以直接选用高性能的隔离DC-DC电源模块，可快速为系统提供高靠性的供电隔离解决方案。致远电子基于近二十年的电源设计经验积累，自主研发设计自主电源IC，打造全工况优选定压DC-DC电源P系列，满足所有工况需求，为用户提供稳定、优质的供电解决方案。致远电子自主电源IC相较于传统方案，内部集成短路保护、过温保护等保护功能，具备更高的集成度与可靠性，保证全工况高效、稳定供电，能够为用户I/O及通信隔离等应用提供标准、可靠的供电解决方案。
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