模塊電源的熱分析及處理設(shè)計(jì)

以小體積著稱的模塊電源，正朝著低電壓輸入、大電流輸出，以及大的功率密度方向發(fā)展。但是，高集成度、高功率密度會(huì)使得其單位體積上的溫升越來越成為影響系統(tǒng)可靠工作、性能提升的最大障礙。統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，其可靠性下降10%，溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。所以熱設(shè)計(jì)的目的就是要及時(shí)地排出熱量，并使產(chǎn)品的溫度處于一個(gè)合理的水平，保證元器件的熱應(yīng)力在最壞的環(huán)境溫度條件下依然不會(huì)超出規(guī)定值。對(duì)于非?？粗乜煽啃缘?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模塊">模塊電源來說，熱處理在其設(shè)計(jì)中已經(jīng)是必不可少的一環(huán)。

熱量的產(chǎn)生

想要探討熱設(shè)計(jì)方法，首先要清楚模塊電源溫升是如何產(chǎn)生的。根據(jù)能量守恒定律，電源的輸入總功率應(yīng)該等于其輸出的總功率，也即能量轉(zhuǎn)換效率(η)恒為100%，但是實(shí)際的情況是轉(zhuǎn)換效率(η=1-Ploss/Ptotal)都是小于100%的，也就是說會(huì)有一部分能量(Ploss)損失掉。那么損失的這一部分能量消耗在哪里了?除了很小的一部分變成電磁波向空中散播外，其余的都變成了熱能，促使其溫度提升。過高的溫度會(huì)使電源設(shè)備內(nèi)部元器件失效，整個(gè)設(shè)備的可靠性降低。

聯(lián)系損失功率與熱量的參數(shù)是熱阻(thermal resistance)，它被定義為發(fā)熱器件向周圍熱釋放的“阻力”，正是由于這種“阻力”的存在，使得熱點(diǎn)(hot points)和四周產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降一樣。不同的材質(zhì)的熱阻是不一樣的，熱阻越小，散熱就越強(qiáng)，其單位為℃/W。

熱量產(chǎn)生的處理

1 建模分析法

從上面的分析我們可以得到計(jì)算溫升的第一種方法：分別建立各部分元器件的損失功率和熱阻的模型，然后根據(jù)下面的公式求出該功率器件的溫升值。

計(jì)算溫升的一個(gè)基本表達(dá)式：

ΔΤ=RthJ-X·Рloss (1)

其中，ΔΤ=溫度差值或者溫升;RthJ-X =功率器件從結(jié)點(diǎn)到X的熱阻。

可以看出：既然元器件的損耗功率是產(chǎn)生熱量的根本原因，那么找出各個(gè)功率器件的損耗就成了解決熱處理的關(guān)鍵。現(xiàn)在以金升陽公司的一個(gè)12W、效率為91%的產(chǎn)品來說明。

圖1 12W自驅(qū)同步整流正激變換器原理圖

對(duì)于基于PWM的自驅(qū)同步整流正激變換器，一般應(yīng)用電路原理如圖1所示。

各功率器件的損耗如圖2所示。在圖2中，Pt是原邊變壓器損耗;Pl是輸出濾波電感的損耗;Pmos是MosFET的損耗;Pd1是整流二極管的損耗;Pd2是續(xù)流二極管的損耗;Pother是其他器件的損耗和。

圖2 功率器件損耗

現(xiàn)在，一些半導(dǎo)體器件廠商都能給出比較詳細(xì)的有關(guān)損耗的參數(shù)，而電源研發(fā)人員，也能在實(shí)際的工程中計(jì)算出功率器件實(shí)際的損耗，進(jìn)而不斷地修正這些值，使得這些元器件的損耗能非常接近真實(shí)值。所以說要求出各功率器件在消耗一定功率產(chǎn)生的實(shí)際溫升，現(xiàn)在的關(guān)鍵就要考慮熱阻了。但是熱阻的值一般會(huì)受到以下因數(shù)的影響很大，如功率元器件的損耗，空氣流動(dòng)的速度、方向、擾動(dòng)的等級(jí)，鄰近功率元器件的影響，PCB板的方向等。所以一般熱測(cè)量的條件是很嚴(yán)格的?，F(xiàn)在先看看對(duì)于一個(gè)是用于自然風(fēng)冷，但四周密封且不用風(fēng)機(jī)的功率元器件的熱測(cè)試方法。功率元器件熱測(cè)試中的剖面圖如圖3所示。

圖3 熱測(cè)試中的功率器件結(jié)構(gòu)圖

圖4 2R 模型

這樣就可以根據(jù)公式RJX=(TJ-TX)/Ploss求出結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻RthJA(RthJA=RthJS+RthSA)。有關(guān) RthJA的計(jì)算，這里只介紹一種簡(jiǎn)單的熱模型(Compact thermal model)2R模型，即Two-Resistor Model。其理論依據(jù)如圖4所示。

　　(2)

但是對(duì)于模塊電源來說，我們一般把半成品封裝在外殼里，其簡(jiǎn)要圖形如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品中功率器件結(jié)構(gòu)圖

圖5中陰影部分為硅膠、樹脂等灌封料，其作用主要有兩個(gè)：一方面用于固定半成品;另一方面用于傳導(dǎo)功率器件表面的溫度(散熱)。所以從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻RthJA就可以表示為：

RthJA=[(RthJC1+RthC1E+RthEI+RthIC2+RthC2A)·(RthJT+RthTS+RthSB+RthBA)]/ [(RthJC1+RthC1E+RthEI+RthIC2+RthC2A)+

(RthJT+RthTS+RthSB+RthBA)] (3)

那么對(duì)應(yīng)于消耗了功率Ploss時(shí)結(jié)點(diǎn)的溫升就可以求出來了：

TJ=TA+Рloss·RthJA (4)

其中，TA是功率元器件幾何中心在上表面的投影所點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值。

不過，式(4)成立還需要滿足以下條件：這個(gè)產(chǎn)品只有一個(gè)熱點(diǎn)(hot points)或者多個(gè)熱點(diǎn)(hot points)之間的熱傳導(dǎo)造成的影響很小或者可以忽略不計(jì);該功率器件的熱量只參與向上或者向下傳遞，而不考慮其他方向即滿足2R法。

當(dāng)存在多個(gè)熱點(diǎn)并且溫度分布不均時(shí)，這時(shí)候考慮更多的就是靠經(jīng)驗(yàn)公式了。而經(jīng)驗(yàn)公式也需要下面的方法來加以修正和完善。

2 直接測(cè)量法

對(duì)溫升的測(cè)量，還有一種測(cè)量方法也是比較簡(jiǎn)單且現(xiàn)在常用的方法：直接測(cè)量法，即測(cè)量功率器件工作前以及達(dá)到熱平衡后對(duì)應(yīng)的溫度差值。

理論上，我們只需要保證芯片附近的環(huán)境溫度(TA)不超過結(jié)點(diǎn)溫度(TJ)就可以使芯片正常工作。但是實(shí)際并非如此，TA這個(gè)參數(shù)是按照 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試而得，實(shí)際上產(chǎn)品幾乎不可能滿足這種測(cè)試條件。因此，TA在這里對(duì)我們沒什么意義。在這種情況下，保守的做法是保證芯片的殼體溫度 TcTA-max，這樣芯片還是可以正常工作的。但從可靠性的角度，我們最好要求Tc小于Tj-max按一定等級(jí)降額后的值。對(duì)Tc的測(cè)量現(xiàn)在常用的做法有三種。

(1)熱示指法(Temperature indicators)：直接用以熱試紙(Thermopaper)貼于功率器件的case處，根據(jù)熱試紙表面的顏色讀出此時(shí)對(duì)應(yīng)的Tc值。這種方法比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于自然風(fēng)冷的產(chǎn)品來說，貼上熱試紙則不利于散熱，實(shí)際測(cè)出的值應(yīng)該是偏高的。

(2)紅外成像法(Thermal Imagine)：利用紅外成像的原理直接測(cè)量元器件在熱平衡的條件下的表面溫升。如Fluke公司的Ti20或者FLIR Systems公司的產(chǎn)品等。

圖6 等溫面

圖7 正面熱像圖

圖8反面熱像圖

圖9 外殼表面溫度圖

圖6～9是利用Ti20拍攝的金升陽公司12W產(chǎn)品的熱圖像。通過這些圖片，我們不僅可以清晰地看出整體的熱分布(相同的溫度，所用的顏色是一致的)，還可以借助其提供的軟件分析每一個(gè)元器件此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值，如幾個(gè)溫度相對(duì)較高的元器件的溫度值分別如表1所示。

表1 功率器件損耗表

這種方法比較直觀地分析了各功率器件的溫升，以及溫度的區(qū)域分布。通過PCB板上整體溫度分布圖，我們可以根據(jù)熱點(diǎn)(hot points)調(diào)整不同元器件的分布，如發(fā)熱量大的器件在PCB板上的布局應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對(duì)溫度敏感的元器件，像電解電容等，并且發(fā)熱量大的元器件之間要有一定的距離，這樣不至于形成新的熱點(diǎn)(hot points)。

(3)熱電偶法(Thermocouple)。實(shí)際中，產(chǎn)品的功率器件并不直接裸露在空氣中，而是灌封或者塑封在一個(gè)金屬外殼或者塑料外殼里，這樣元器件的溫升值就不能通過上面的兩種方式來測(cè)得。此時(shí)我們可以采用熱電偶法，具體做法如下：利用點(diǎn)溫膠將熱電偶固定在離功率器件的節(jié)點(diǎn)較近的外殼上，但是不要接觸到金屬外殼。然后將半成品連同熱電偶一起封裝起來，分別測(cè)量T1(工作前溫度)，T2(熱平衡后溫度)值。這種方法可以直接透過模塊電源測(cè)量其內(nèi)部功率器件的實(shí)際溫度值，但由于用了點(diǎn)溫膠，熱電偶與功率器件的殼(c1)形成一個(gè)新的熱阻，并且粘住的熱電偶會(huì)傳導(dǎo)殼(c1)部分熱量，排除儀器的測(cè)量誤差，實(shí)測(cè)溫度值會(huì)比真實(shí)值小。

這三種溫度測(cè)量方法是各有其優(yōu)缺點(diǎn)的，實(shí)際使用過程中還要具體問題具體分析，但是直接測(cè)量法最有助于完善建模分析法中考慮欠佳的地方。