模塊電源的熱測(cè)試

以小體積著稱(chēng)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(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?？粗乜煽啃缘哪K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(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保怯捎谶@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。現(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。

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(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(lái)說(shuō)，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(shù)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)