電源設計發(fā)熱問(wèn)題經(jīng)驗分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-07-22
高溫對功率密度高的電源模塊的可靠性影響極其大。高溫會(huì )導致電解電容的壽命降低、變壓器漆包線(xiàn)的絕緣特性降低、晶體管損壞、材料熱老化、低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落、器件之間的機械應力增大等現象。有統計資料表明，電子元件溫度每升高2℃，可靠性下降10%。
表1是開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵器件的熱損耗根源，了解器件發(fā)熱原因，為散熱設計提供理論基礎，能快速定位設計方案。
表1 主要元器件損耗根源
從表 1了解關(guān)鍵發(fā)熱器件和發(fā)熱的原因后，可以從以下兩方面入手：
1、從電路結構、器件上減少損耗：如采用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)、高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數目，加大加粗印制線(xiàn)的寬度，提高電源的效率；
方案選擇優(yōu)化熱設計
圖1是同一個(gè)產(chǎn)品的熱效果圖，圖 1 中的A圖采用軟驅動(dòng)技術(shù)方案，圖 1 中的B圖采用直接驅動(dòng)技術(shù)方案，輸入輸出條件一樣，工作30分鐘后測試兩個(gè)產(chǎn)品的關(guān)鍵器件溫度，
如表2所示, A圖關(guān)鍵器件MOS的溫度降幅是B圖的32%，關(guān)鍵器件溫度降低同時(shí)，提高了產(chǎn)品的可靠性，e所以采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或者軟驅動(dòng)技術(shù)，能大幅度降低關(guān)鍵器件的表面溫度。
圖1 采用不同驅動(dòng)方案后的熱效果圖
表2 主要元器件損耗根源
器件選擇優(yōu)化熱設計
器件的選擇不僅需要考慮電應力，還要考慮熱應力，并留有一定降額余量。圖2為一些元件降額曲線(xiàn)，隨著(zhù)表面溫度增加，其額定功率會(huì )有所降低。
圖2 降額曲線(xiàn)
元器件的封裝對器件的溫升有很大的影響。如由于工藝的差異，DFN封裝的MOS管比DPAK（TO252）封裝的MOS管更容易散熱。
前者在同樣的損耗條件下，溫升會(huì )比較小。一般封裝越大的電阻，其額定功率也會(huì )越大，在同樣的損耗的條件下，表面溫升會(huì )比較小。
有時(shí)，電路參數和性能看似正常，但實(shí)際上隱藏很大的問(wèn)題。如圖3所示，某電路基本性能沒(méi)有問(wèn)題，但在常溫下，用紅外熱成像儀一測， MOS管的驅動(dòng)電阻表面溫度居然達到95.2℃。
長(cháng)期工作或高溫環(huán)境下，極易出現電阻燒壞、模塊損壞的問(wèn)題。通過(guò)調整電路參數，降低電阻的歐姆熱損耗，且將電阻封裝由0603改成0805，大大降低了表面溫度。
圖3 驅動(dòng)電阻表面溫度
PCB設計優(yōu)化熱設計
PCB的銅皮面積、銅皮厚度、板材材質(zhì)、PCB層數都影響到模塊的散熱。常用的板材FR4（環(huán)氧樹(shù)脂）是很好的導熱材料，PCB上元器件的熱量可以通過(guò)PCB散熱。特殊應用情況下，也有采用鋁基板或陶瓷基板等熱阻更小的板材。
PCB的布局布線(xiàn)也要考慮到模塊的散熱：
發(fā)熱量大的元件要避免扎堆布局，盡量保持板面熱量均勻分布；
熱敏感的元件尤其應該遠離熱量源；
必要時(shí)采用多層PCB；
功率元件背面敷銅平面散熱，并用“熱孔”將熱量從PCB的一面傳到另一面。
如圖4所示，上面兩圖為沒(méi)有采用此方法時(shí)，MOS管表面溫度和背面PCB的溫度；下面兩圖為采用“背面敷銅平面加熱孔”方法后，MOS管表面溫度和背面銅平面的溫度，可以看出：
MOS管表面溫度由98.0℃降低了22.5℃；
MOS管與背面的銅平面的溫差大大減小，熱孔的傳熱性能良好。
圖4 背面敷銅加熱孔的散熱效果
2、運用更有效的散熱技術(shù)：利用傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉移，這包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法。
熱設計時(shí)，還須注意：
對于寬壓輸入的電源模塊，高壓輸入和低壓輸入的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布完全不同，需全面評估。短路保護時(shí)的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布也要評估；
在灌封類(lèi)電源模塊中，灌封膠是一種良好的導熱的材料。模塊內部元件的表面溫升會(huì )進(jìn)一步降低。
除了上述提及的電源熱設計技巧之外，還可以選用高性能的隔離DC-DC電源模塊。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
