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通過(guò)模塊電源的熱測(cè)試,提升電源可靠性設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2009-10-19 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  以小體積著稱(chēng)的,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(lái)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/模塊電源">模塊電源來(lái)說(shuō),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(shuō)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(guò)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?chē)鸁後尫诺摹白枇Α?,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(guò)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?,F(xiàn)在以金升陽(yáng)公司的一個(gè)12W、效率為91%的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)明。

12W自驅(qū)同步整流正激變換器原理圖

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。

功率器件損耗

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(shuō)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?chē)?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)的功率元器件的方法。功率元器件中的剖面圖如圖3所示。

熱測(cè)試中的功率器件結(jié)構(gòu)圖

圖3 中的功率器件結(jié)構(gòu)圖


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