电源设计发热问题经验分析-KIA MOS管

电源模块发热分析

高(gao)温(wen)对功率(lv)密度高(gao)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)源模块的(de)(de)(de)(de)可(ke)靠性(xing)(xing)影响极其大。高(gao)温(wen)会导致(zhi)电(dian)(dian)解电(dian)(dian)容的(de)(de)(de)(de)寿命(ming)降(jiang)低、变压器漆(qi)包线的(de)(de)(de)(de)绝缘(yuan)特(te)性(xing)(xing)降(jiang)低、晶体管损坏、材料热老化、低熔(rong)点焊缝开裂、焊点脱落、器件之间的(de)(de)(de)(de)机械(xie)应力(li)增大等现象。有(you)统计(ji)资料表明，电(dian)(dian)子元(yuan)件温(wen)度每(mei)升高(gao)2℃，可(ke)靠性(xing)(xing)下(xia)降(jiang)10%。

一、关键器件的损耗

表(biao)1是开关电源关键(jian)器件的(de)热(re)损耗根(gen)源，了解器件发热(re)原因(yin)，为散热(re)设计提供理论基(ji)础，能快速定位(wei)设计方案。

表1 主要元(yuan)器件损(sun)耗根源

二、开关电源热设计

从表 1了解关键发(fa)热器(qi)件(jian)和发(fa)热的原(yuan)因后，可以(yi)从以(yi)下两方面入手：

1、从(cong)电(dian)路结构、器件上减少损(sun)耗：如采(cai)用更优的(de)控制方(fang)式和技(ji)(ji)术(shu)(shu)、高频软开关技(ji)(ji)术(shu)(shu)、移相控制技(ji)(ji)术(shu)(shu)、同步整(zheng)流(liu)技(ji)(ji)术(shu)(shu)等，另外就(jiu)是选用低功(gong)耗的(de)器件，减少发热器件的(de)数(shu)目，加大加粗印制线的(de)宽度，提(ti)高电(dian)源的(de)效率(lv)；

方(fang)案选择优(you)化热设计

图1是同一个产(chan)品的(de)(de)热效(xiao)果(guo)图，图 1 中的(de)(de)A图采用(yong)软驱(qu)动技术方案，图 1 中的(de)(de)B图采用(yong)直接驱(qu)动技术方案，输入(ru)输出条件一样，工作30分钟后测试两个产(chan)品的(de)(de)关键器(qi)件温度，

如表2所示(shi), A图(tu)关键(jian)器件MOS的(de)温(wen)度(du)降幅是B图(tu)的(de)32%，关键(jian)器件温(wen)度(du)降低(di)(di)同时，提高了产品的(de)可靠性，e所以(yi)采(cai)用高频软开关技(ji)(ji)术或者软驱动技(ji)(ji)术，能大(da)幅度(du)降低(di)(di)关键(jian)器件的(de)表面温(wen)度(du)。

图1 采用(yong)不同驱动(dong)方案后的(de)热效果图

表2 主要元器件损耗根源(yuan)

器件选择优化热(re)设计

器件的选择不仅需要(yao)(yao)考虑(lv)电(dian)应(ying)力，还要(yao)(yao)考虑(lv)热应(ying)力，并(bing)留有(you)一定降额余量。图(tu)2为一些元件降额曲线，随(sui)着表面温度增加，其(qi)额定功率会有(you)所降低。

图2 降额(e)曲线

元器(qi)件的(de)封(feng)装(zhuang)对(dui)器(qi)件的(de)温升有(you)很大的(de)影响。如(ru)由于工艺的(de)差异，DFN封(feng)装(zhuang)的(de)MOS管比(bi)DPAK（TO252）封(feng)装(zhuang)的(de)MOS管更容(rong)易(yi)散热。

前者在同(tong)样的(de)(de)损(sun)(sun)耗条(tiao)件(jian)下，温升会比(bi)(bi)较(jiao)小。一(yi)般封装越大(da)的(de)(de)电阻，其额定功率也会越大(da)，在同(tong)样的(de)(de)损(sun)(sun)耗的(de)(de)条(tiao)件(jian)下，表面温升会比(bi)(bi)较(jiao)小。

有时(shi)，电(dian)路参(can)数和(he)性(xing)能看似正(zheng)常，但实际上隐藏很大的(de)问题。如图3所(suo)示，某电(dian)路基本性(xing)能没有问题，但在常温下，用红外(wai)热(re)成像仪一测(ce)， MOS管的(de)驱动电(dian)阻(zu)表面(mian)温度居然(ran)达到95.2℃。

长期(qi)工作或高(gao)温(wen)(wen)环境(jing)下，极易(yi)出现电阻烧坏、模块损(sun)坏的(de)问题。通(tong)过调整电路参数，降(jiang)(jiang)低(di)电阻的(de)欧姆热损(sun)耗(hao)，且将电阻封装由0603改(gai)成0805，大(da)大(da)降(jiang)(jiang)低(di)了表面(mian)温(wen)(wen)度。

图3 驱动电阻表面(mian)温度

PCB设计优化热设计

PCB的(de)(de)铜皮面积、铜皮厚度、板材(cai)材(cai)质、PCB层(ceng)数都影响到模块的(de)(de)散热(re)(re)。常用的(de)(de)板材(cai)FR4（环氧树脂）是很好的(de)(de)导热(re)(re)材(cai)料，PCB上元器件(jian)的(de)(de)热(re)(re)量可以(yi)通过PCB散热(re)(re)。特殊应用情(qing)况下，也有采用铝基板或(huo)陶瓷基板等热(re)(re)阻更小的(de)(de)板材(cai)。

PCB的布局(ju)布线也(ye)要(yao)考虑到模块的散热：

发(fa)热(re)量大的元件要避免扎堆布(bu)(bu)局，尽量保持(chi)板面热(re)量均匀分布(bu)(bu)；

热敏感的元(yuan)件尤其应该(gai)远(yuan)离热量(liang)源(yuan)；

必要时(shi)采(cai)用多层PCB；

功率元件背面敷(fu)铜平面散热，并用“热孔”将热量从PCB的一面传到另(ling)一面。

如图(tu)4所示，上(shang)面(mian)(mian)两(liang)图(tu)为没(mei)有采用(yong)此(ci)方(fang)法时(shi)，MOS管表面(mian)(mian)温度(du)和背面(mian)(mian)PCB的(de)温度(du)；下面(mian)(mian)两(liang)图(tu)为采用(yong)“背面(mian)(mian)敷铜(tong)平(ping)面(mian)(mian)加热孔”方(fang)法后，MOS管表面(mian)(mian)温度(du)和背面(mian)(mian)铜(tong)平(ping)面(mian)(mian)的(de)温度(du)，可以看(kan)出：

MOS管表面温度由98.0℃降(jiang)低了22.5℃；

MOS管与背面(mian)的(de)(de)铜(tong)平面(mian)的(de)(de)温差大(da)大(da)减小(xiao)，热(re)孔的(de)(de)传热(re)性能良好。

图4 背面敷铜加热(re)孔的散热(re)效果(guo)

2、运用更有效(xiao)的散热技(ji)术(shu)：利用传导、辐射、对流(liu)(liu)技(ji)术(shu)将(jiang)热量转(zhuan)移，这包(bao)括(kuo)采(cai)用散热器、风冷(自然对流(liu)(liu)和(he)强迫风冷)、液冷(水(shui)、油)、热电致冷、热管等方法。

热(re)设计时，还(hai)须(xu)注意：

对于宽压(ya)输(shu)入的(de)电(dian)源模(mo)块，高压(ya)输(shu)入和(he)低压(ya)输(shu)入的(de)发热点和(he)热量(liang)分(fen)布(bu)完全(quan)不同，需全(quan)面评估(gu)。短路(lu)保护时的(de)发热点和(he)热量(liang)分(fen)布(bu)也要评估(gu)；

在灌封(feng)类电源模(mo)块中，灌封(feng)胶是一种良好的(de)导(dao)热的(de)材料。模(mo)块内(nei)部元件的(de)表面(mian)温升会进一步(bu)降低(di)。

除了上述(shu)提及(ji)的(de)电源热设计技巧之外，还可以(yi)选用高(gao)性能的(de)隔离DC-DC电源模块。

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