模块电源的热处理-金升阳.PDF

模块电源的热处理 引言 一向以小体积著称的模块电源，随着向低电压输入大电流输出，以及大的功率密度方向 发展。电源的高集成度、高功率密度,会使得单位体积上的温升越来越成为系统可靠工作、 性能提升的最大障碍.根据温度和障碍率的关系式有: F = Ae-E/ KT 其中: F = 故障率, A=常数 E = 功率 -5 K =玻尔兹曼常量(8.63e eV/ K) T = 结点温度 从上面的关系式可以看出:失效率随温度的增加呈指数上升。并且温度过高会使一些元 器件如电 的阻值降低；会加快电解电容的电解液的蒸发,还会使得变压器,扼流圈的绝缘材 料的性能降低;使晶体管的电流放大倍数迅速增加,从而导致集电极电流的增加，使得温升进 一步升高，最终导致元器件的实效。 统计资料 [1]表明电子元器件温度每升高 2 ℃ , 其可靠性下降 10 ％ ; 温升 50℃ 时 的寿命只有温升 25 ℃ 时的 1/6 。所以热设计的目的就是要把这些热量及时地排出并使之 处于一个合理的水平以至于元器件的热应力在最坏的环境温度条件下依然不会超出规定值， 否则将会影响模块电源的正常工作,严重时会损坏模块电源。为提高模块电源工作的可靠性, 热处理在模块电源设计中是必不可少的一环。 1 热量的产生 想要探讨热设计方法,首先要要清楚模块电源温升是如何产生的.根据能量守恒定律，产 品输入的总功率应该是等于其输出的总功率,也即我们产品的转换效率 （）恒为 100%，但 是实际的情况是转换效率 （= 1-P /P 总）一般都是小于100%的。也就是说会有一部分能量 loss （Ploss ）有损失掉了，那么损失的这一部分能量消耗在哪里呢，除了很小的一部分变成电磁 波向空中散播外。其余的都由自身首先消耗了，消耗了的能量变成了热能，促使自身温度的 提升，而后由传导的方式，使得周围元器件的温度增加，并且如果这种热点 （hot points ）比 较多且分布不均的话，那么传导到外壳表面的温升就十分明显了。由此可见（在一定的条件 下）转换效率和其温升是呈反比的,也就是说效率越低则温升就越高.过高的温度会使电源设 备内部元器件失效，整个设备的可靠性降低。所以说在大力推行环保能源的今天，关键一个 目标就是要降低损失损失功率。 然而损失的功率转换成热量还需要热 的功劳, 热力学中，热 （thermal resistance ）被 定义为发热器件向周围热释放的阻力,正是由于这种阻力的存在，使得热点 （hot points ） 和四周就产生了一定的温差,就像电流流过电 会产生电压降一样。并且不同的材质热 也 是不一样的，热 越小，散热就越强，热 的单位为℃/W 。 2 热量产生的处理 2.1 建模分析法 从上面的分析我们可以得到计算温升的第一种方法: 建模分析法即分 建立各部分元器 件的损失功率和热 的模型,然后根据下面的公式就可以求出该功率器件的温升值。 计算温升的一个基本表达式: ΔΤ=RthJ-X*Рloss 其中: ΔΤ=温度差值或者温升； RthJ-X =功率器件从结点到X 的热阻； Р =功率器件的损失功率 loss 可以看出: 既然元器件的损失功率(Рloss)是产生热量的根本原因,损失的功率最后以热量 的方式释放出来,那么找出各个功率器件的损耗就成了解决热处理的关键。现在以金升阳公 司的一个 12W 效率为91%的产品来例说。 对于基于PWM 的自驱同步整流正激变换器，一般应用电路原理如下图所示： 1 原理 各功率器件的损耗见下图: 表 1 功率器件损耗表 其中：Pt: 原边变压器损耗 Pl:输出滤波电感的损耗 Pmos: mos 管的损耗 Pd1: 整流二极管的损耗 Pd2:续流二极管的损耗 Pother : 其它器件的损耗和 现在一些半导体器件的厂商都能给出比较详细的有关损耗的参数，而电源研发人员，也能 在实际的